Nadie en este mundo comprende qué es la mecánica cuántica. Esto es quizás lo más importante que necesita saber sobre ella. Por supuesto, muchos físicos han aprendido a usar leyes e incluso a predecir fenómenos basados en la computación cuántica. Pero aún no está claro por qué el observador del experimento determina el comportamiento del sistema y lo hace tomar uno de dos estados.
A continuación se muestran algunos ejemplos de experimentos con resultados que inevitablemente cambiarán bajo la influencia del observador. Muestran que la mecánica cuántica se ocupa prácticamente de la intervención del pensamiento consciente en la realidad material.
Hay muchas interpretaciones de la mecánica cuántica en la actualidad, pero la Interpretación de Copenhague es quizás la más famosa. En la década de 1920, Niels Bohr y Werner Heisenberg formularon sus postulados generales.
La interpretación de Copenhague se basa en la función de onda. Es una función matemática que contiene información sobre todos los estados posibles de un sistema cuántico en el que existe simultáneamente. Según la Interpretación de Copenhague, el estado de un sistema y su posición en relación con otros estados solo se pueden determinar mediante la observación (la función de onda se usa solo para calcular matemáticamente la probabilidad de encontrar un sistema en un estado u otro).
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Podemos decir que después de la observación, el sistema cuántico se vuelve clásico e inmediatamente deja de existir en otros estados distintos a aquel en el que fue observado. Esta conclusión encontró a sus oponentes (recordemos el famoso "Dios no juega a los dados" de Einstein), pero la precisión de los cálculos y predicciones todavía tenía la suya.
Sin embargo, el número de partidarios de la interpretación de Copenhague está disminuyendo, y la principal razón de esto es el misterioso colapso instantáneo de la función de onda durante el experimento. El famoso experimento mental de Erwin Schrödinger con un gato pobre debería demostrar lo absurdo de este fenómeno. Recordemos los detalles.
Dentro de la caja negra se encuentra un gato negro y con él una botella de veneno y un mecanismo que puede liberar veneno al azar. Por ejemplo, un átomo radiactivo puede romper una burbuja durante la descomposición. Se desconoce el tiempo exacto de desintegración del átomo. Solo se conoce la vida media, durante la cual se produce la descomposición con una probabilidad del 50%.
Obviamente, para un observador externo, el gato dentro de la caja se encuentra en dos estados: o está vivo si todo salió bien, o muerto si ha ocurrido la descomposición y la botella se ha roto. Ambos estados se describen mediante la función de onda del gato, que cambia con el tiempo.
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Cuanto más tiempo haya pasado, más probable es que se haya producido una desintegración radiactiva. Pero tan pronto como abrimos la caja, la función de onda colapsa e inmediatamente vemos los resultados de este experimento inhumano.
De hecho, hasta que el observador abra la caja, el gato equilibrará interminablemente entre la vida y la muerte, o estará vivo y muerto al mismo tiempo. Su destino solo puede ser determinado por las acciones de un observador. Este absurdo fue señalado por Schrödinger.
1. Difracción de electrones
Según una encuesta de físicos famosos realizada por The New York Times, el experimento de difracción de electrones es uno de los estudios más asombrosos de la historia de la ciencia. Cual es su naturaleza? Hay una fuente que emite un haz de electrones en una pantalla sensible a la luz. Y hay un obstáculo en el camino de estos electrones, una placa de cobre con dos rendijas.
¿Qué tipo de imagen se puede esperar en una pantalla si los electrones generalmente se nos presentan como pequeñas bolas cargadas? Dos franjas opuestas a las ranuras de la placa de cobre. Pero en realidad, aparece en la pantalla un patrón mucho más complejo de alternancia de rayas blancas y negras. Esto se debe a que al pasar por la rendija, los electrones comienzan a comportarse no solo como partículas, sino también como ondas (los fotones u otras partículas de luz se comportan de la misma manera, que puede ser una onda al mismo tiempo).
Estas ondas interactúan en el espacio, chocan y se refuerzan entre sí y, como resultado, se muestra en la pantalla un patrón complejo de franjas claras y oscuras alternas. Al mismo tiempo, el resultado de este experimento no cambia, incluso si los electrones pasan uno por uno; incluso una partícula puede ser una onda y pasar simultáneamente a través de dos rendijas. Este postulado fue uno de los principales en la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, cuando las partículas pueden demostrar simultáneamente sus propiedades físicas "ordinarias" y propiedades exóticas como una onda.
Pero, ¿qué pasa con el observador? Es él quien confunde aún más esta enredada historia. Cuando los físicos durante tales experimentos intentaron determinar con la ayuda de instrumentos, a través de qué rendija pasa realmente el electrón, la imagen en la pantalla cambió dramáticamente y se volvió "clásica": con dos secciones iluminadas estrictamente opuestas a las rendijas, sin rayas alternas.
Los electrones parecían reacios a revelar su naturaleza ondulatoria al ojo atento de los observadores. Parece un misterio envuelto en tinieblas. Pero también hay una explicación más simple: la monitorización del sistema no se puede realizar sin influir físicamente en él. Discutiremos esto más tarde.
2. Fullerenos calentados
Los experimentos de difracción de partículas se llevaron a cabo no solo con electrones, sino también con otros objetos mucho más grandes. Por ejemplo, utilizaron fullerenos, moléculas grandes y cerradas que constan de varias decenas de átomos de carbono. Recientemente, un grupo de científicos de la Universidad de Viena, dirigido por el profesor Zeilinger, intentó incorporar un elemento de observación en estos experimentos. Para hacer esto, irradiaron las moléculas de fullereno en movimiento con rayos láser. Luego, calentadas por una fuente externa, las moléculas comenzaron a brillar y, inevitablemente, mostraron su presencia para el observador.
Junto con esta innovación, el comportamiento de las moléculas también ha cambiado. Antes del comienzo de una observación tan completa, los fullerenos tenían bastante éxito en evitar obstáculos (exhibiendo propiedades de onda), similar al ejemplo anterior con electrones golpeando una pantalla. Pero con la presencia de un observador, los fullerenos comenzaron a comportarse como partículas físicas completamente respetuosas de la ley.
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3. Dimensión de enfriamiento
Una de las leyes más famosas del mundo de la física cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual es imposible determinar la velocidad y la posición de un objeto cuántico al mismo tiempo. Cuanto más exactamente midamos el impulso de una partícula, con menor precisión podremos medir su posición. Sin embargo, en nuestro mundo real macroscópico, la validez de las leyes cuánticas que actúan sobre partículas diminutas suele pasar desapercibida.
Los recientes experimentos del profesor Schwab de los EE. UU. Hacen una contribución muy valiosa en esta área. Los efectos cuánticos en estos experimentos se demostraron no a nivel de electrones o moléculas de fullereno (con un diámetro aproximado de 1 nm), sino en objetos más grandes, una pequeña cinta de aluminio. Esta cinta se fijó en ambos lados para que su centro estuviera en un estado suspendido y pudiera vibrar bajo la influencia externa. Además, se colocó un dispositivo cerca que podía registrar con precisión la posición de la cinta. El experimento reveló varias cosas interesantes. En primer lugar, cualquier medida relacionada con la posición del objeto y la observación de la cinta lo afectaba, después de cada medida cambiaba la posición de la cinta.
Los experimentadores determinaron las coordenadas de la cinta con alta precisión y, por lo tanto, de acuerdo con el principio de Heisenberg, cambiaron su velocidad y, por lo tanto, la posición posterior. En segundo lugar, de forma bastante inesperada, algunas mediciones provocaron un enfriamiento de la cinta. Así, el observador puede cambiar las características físicas de los objetos con su mera presencia.
4. Congelación de partículas
Como saben, las partículas radiactivas inestables se descomponen no solo en experimentos con gatos, sino también por sí mismas. Cada partícula tiene un promedio de vida que, como se ve, puede aumentar bajo la atenta mirada de un observador. Este efecto cuántico se predijo ya en la década de 1960, y su brillante evidencia experimental apareció en un artículo publicado por un grupo dirigido por el físico ganador del Premio Nobel Wolfgang Ketterle del MIT.
En este trabajo, se estudió la desintegración de átomos de rubidio excitados inestables. Inmediatamente después de la preparación del sistema, los átomos se excitaron con un rayo láser. La observación se realizó en dos modos: continuo (el sistema estaba constantemente expuesto a pequeños pulsos de luz) y pulsado (el sistema se irradiaba con pulsos más potentes de vez en cuando).
Los resultados obtenidos coincidieron totalmente con las predicciones teóricas. Los efectos de la luz externa ralentizan la descomposición de las partículas, devolviéndolas a su estado original, que está lejos del estado de descomposición. La magnitud de este efecto también estuvo en línea con las previsiones. La vida útil máxima de los átomos de rubidio excitados inestables aumentó 30 veces.
5. Mecánica cuántica y conciencia
Los electrones y fullerenos dejan de mostrar sus propiedades de onda, las placas de aluminio se enfrían y las partículas inestables ralentizan su descomposición. La mirada atenta del espectador cambia literalmente el mundo. ¿Por qué no puede ser esto una prueba de la participación de nuestras mentes en el funcionamiento del mundo? ¿Quizás Carl Jung y Wolfgang Pauli (físico austriaco, premio Nobel, pionero de la mecánica cuántica) tenían razón después de todo cuando dijeron que las leyes de la física y la conciencia deberían verse como complementarias entre sí?
Estamos a un paso de reconocer que el mundo que nos rodea es solo un producto ilusorio de nuestra mente. La idea da miedo y es tentadora. Intentemos volver a los físicos. Especialmente en los últimos años, cuando cada vez menos personas creen que la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, con su función de onda críptica, colapsa, refiriéndose a una decoherencia más mundana y confiable.
La cuestión es que en todos estos experimentos con observaciones, los experimentadores influyeron inevitablemente en el sistema. Lo encendieron con un láser e instalaron dispositivos de medición. Estaban unidos por un principio importante: no se puede observar un sistema o medir sus propiedades sin interactuar con él. Cualquier interacción es un proceso de modificación de propiedades. Especialmente cuando un diminuto sistema cuántico está expuesto a colosales objetos cuánticos. Algún observador budista eternamente neutral es imposible en principio. Y aquí entra en juego el término "decoherencia", que es irreversible desde el punto de vista termodinámico: las propiedades cuánticas de un sistema cambian al interactuar con otro gran sistema.
Durante esta interacción, el sistema cuántico pierde sus propiedades originales y se vuelve clásico, como si "obedeciera" a un gran sistema. Esto también explica la paradoja del gato de Schrödinger: el gato es un sistema demasiado grande, por lo que no puede aislarse del resto del mundo. El diseño mismo de este experimento mental no es del todo correcto.
En cualquier caso, si asumimos la realidad del acto de creación por conciencia, la decoherencia parece ser un enfoque mucho más conveniente. Quizás incluso demasiado conveniente. Con este enfoque, todo el mundo clásico se convierte en una gran consecuencia de la decoherencia. Y como afirmó el autor de uno de los libros más famosos en el campo, este enfoque conduce lógicamente a afirmaciones como "no hay partículas en el mundo" o "no hay tiempo en un nivel fundamental".
¿Es cierto en un creador-observador o en una poderosa decoherencia? Tenemos que elegir entre dos males. Sin embargo, los científicos están cada vez más convencidos de que los efectos cuánticos son una manifestación de nuestros procesos mentales. Y dónde termina la observación y comienza la realidad depende de cada uno de nosotros.
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