Mucha gente ha escuchado esta expresión, pero quizás no todos comprendan ni siquiera su significado simplificado. Intentemos resolverlo sin teorías y fórmulas complicadas.
"El gato de Schrödinger" es el nombre del famoso experimento mental del famoso físico teórico austriaco Erwin Schrödinger, quien también es ganador del Premio Nobel. Con esta experiencia ficticia, el científico quería mostrar lo incompleto de la mecánica cuántica en la transición de los sistemas subatómicos a los macroscópicos.
El artículo original de Erwin Schrödinger se publicó en 1935. He aquí una cita:
También puedes construir estuches en los que el burlesque sea suficiente. Dejemos que algún gato sea encerrado en una cámara de acero junto con la siguiente máquina diabólica (que debería ser independiente de la intervención del gato): dentro del contador Geiger hay una pequeña cantidad de sustancia radiactiva, tan pequeña que solo un átomo puede descomponerse en una hora, pero con la misma la probabilidad no puede desintegrarse; si esto sucede, el tubo de lectura se descarga y se dispara el relé, liberando el martillo, que rompe el cono con ácido cianhídrico.
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Si deja todo este sistema solo durante una hora, entonces podemos decir que el gato estará vivo después de este tiempo, siempre que no se produzca la descomposición del átomo. La primera desintegración de un átomo habría envenenado al gato. La función psi del sistema en su conjunto expresará esto mezclando o untando un gato vivo y un gato muerto (perdón por la expresión) en partes iguales. Es típico en tales casos que la incertidumbre, inicialmente limitada al mundo atómico, se transforme en incertidumbre macroscópica, que puede eliminarse mediante la observación directa. Esto nos impide aceptar ingenuamente el "modelo borroso" como reflejo de la realidad. En sí mismo, esto no significa nada claro o contradictorio. Existe una diferencia entre una foto borrosa o desenfocada y una foto de nubes o niebla.
En otras palabras:
- Hay una caja y un gato. La caja contiene un mecanismo que contiene un núcleo atómico radiactivo y un recipiente con un gas venenoso. Los parámetros del experimento se seleccionaron de modo que la probabilidad de desintegración nuclear en 1 hora sea del 50%. Si el núcleo se desintegra, se abre un recipiente con gas y el gato muere. Si el núcleo no se descompone, el gato permanece vivo y sano.
- Cerramos al gato en una caja, esperamos una hora y nos preguntamos: ¿el gato está vivo o muerto?
- La mecánica cuántica, por así decirlo, nos dice que el núcleo atómico (y por lo tanto el gato) se encuentra en todos los estados posibles simultáneamente (ver superposición cuántica). Antes de abrir la caja, el sistema "cat-core" está en el estado "el núcleo se ha descompuesto, el gato está muerto" con una probabilidad del 50% y en el estado "el núcleo no se ha descompuesto, el gato está vivo" con una probabilidad del 50%. Resulta que el gato sentado en la caja está vivo y muerto al mismo tiempo.
- Según la interpretación moderna de Copenhague, el gato está vivo / muerto sin estados intermedios. Y la elección del estado de desintegración nuclear no se produce en el momento de abrir la caja, sino también cuando el núcleo entra en el detector. Porque la reducción de la función de onda del sistema "gato-detector-núcleo" no está asociada con el observador humano de la caja, sino con el detector-observador del núcleo.
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Según la mecánica cuántica, si no se hace ninguna observación sobre el núcleo de un átomo, entonces su estado se describe mediante la mezcla de dos estados: un núcleo desintegrado y un núcleo no resuelto, por lo tanto, un gato sentado en una caja y personificando el núcleo de un átomo está vivo y muerto al mismo tiempo. Si se abre la caja, el experimentador sólo puede ver un estado específico: "el núcleo se ha descompuesto, el gato está muerto" o "el núcleo no se ha descompuesto, el gato está vivo".
La esencia del lenguaje humano: el experimento de Schrödinger demostró que, desde el punto de vista de la mecánica cuántica, un gato está vivo y muerto, lo que no puede ser. Por tanto, la mecánica cuántica tiene defectos importantes.
La pregunta es: ¿cuándo deja de existir el sistema como una mezcla de dos estados y elige uno específico? El objetivo del experimento es mostrar que la mecánica cuántica está incompleta sin algunas reglas que indiquen bajo qué condiciones ocurre el colapso de la función de onda, y el gato muere o permanece vivo, pero deja de ser una mezcla de ambos. Dado que está claro que el gato debe estar necesariamente vivo o muerto (no hay un estado intermedio entre la vida y la muerte), entonces esto será lo mismo para el núcleo atómico. Debe estar desintegrado o no desintegrado (Wikipedia).
Otra interpretación más reciente del experimento mental de Schrödinger es una historia de Sheldon Cooper, el héroe de la serie de televisión Big Bang Theory, que le entregó al vecino menos educado de Penny. La esencia de la historia de Sheldon es que el concepto del gato de Schrödinger se puede aplicar en las relaciones entre personas. Para comprender lo que está sucediendo entre un hombre y una mujer, qué tipo de relación entre ellos: buena o mala, solo necesita abrir la caja. Antes de eso, las relaciones son buenas y malas.
A continuación se muestra un video de este diálogo de la teoría del Big Bang entre Sheldon y Singing.
La ilustración de Schrödinger es el mejor ejemplo para describir la paradoja principal de la física cuántica: según sus leyes, partículas como electrones, fotones e incluso átomos existen en dos estados al mismo tiempo ("vivo" y "muerto", si recuerdas al gato sufrido). Estos estados se denominan superposiciones.
El físico estadounidense Art Hobson de la Universidad de Arkansas (Arkansas State University) ofreció su propia solución a esta paradoja.
“Las mediciones en física cuántica se basan en el funcionamiento de ciertos dispositivos macroscópicos, como el contador Geiger, que determinan el estado cuántico de sistemas microscópicos: átomos, fotones y electrones. La teoría cuántica implica que si conecta un sistema microscópico (partícula) a un determinado dispositivo macroscópico que distingue entre dos estados diferentes del sistema, entonces el dispositivo (el contador Geiger, por ejemplo) entrará en un estado de entrelazamiento cuántico y también estará en dos superposiciones simultáneamente. Sin embargo, es imposible observar este fenómeno directamente, lo que lo hace inaceptable”, dice el físico.
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Hobson dice que en la paradoja de Schrödinger, el gato desempeña el papel de un instrumento macroscópico, un contador Geiger adjunto a un núcleo radiactivo, para determinar el estado de desintegración o "no desintegración" de ese núcleo. En este caso, un gato vivo será un indicador de "no descomposición", y un gato muerto es un indicador de descomposición. Pero según la teoría cuántica, el gato, como el núcleo, debe estar en dos superposiciones de vida y muerte.
En cambio, según el físico, el estado cuántico del gato debe estar entrelazado con el estado del átomo, lo que significa que están en "conexión no local" entre sí. Es decir, si el estado de uno de los objetos entrelazados cambia repentinamente al opuesto, entonces el estado de su par cambiará exactamente de la misma manera, sin importar qué tan lejos estén el uno del otro. Al hacerlo, Hobson se refiere a la confirmación experimental de esta teoría cuántica.
“Lo más interesante de la teoría del entrelazamiento cuántico es que el cambio en el estado de ambas partículas ocurre instantáneamente: ninguna luz o señal electromagnética tendría tiempo para transferir información de un sistema a otro. Así, podemos decir que se trata de un objeto, dividido en dos partes por el espacio, por grande que sea la distancia entre ellas”, explica Hobson.
El gato de Schrödinger ya no está vivo y muerto al mismo tiempo. Está muerto si la descomposición ocurre, y vivo si la descomposición nunca ocurre.
Agregamos que tres grupos más de científicos propusieron opciones similares para resolver esta paradoja durante los últimos treinta años, pero no se tomaron en serio y pasaron desapercibidas en amplios círculos científicos. Hobson señala que resolver las paradojas de la mecánica cuántica, incluso las teóricas, es absolutamente necesario para su comprensión profunda.
Puede leer más sobre el trabajo del físico en su artículo, que fue publicado en la revista Physical Review A.
Schrödinger.
Pero más recientemente, la TEÓRICA EXPLICÓ CÓMO LA GRAVEDAD MATA AL GATO DE SCHRODINGER, pero esto ya es más difícil …
Como regla general, los físicos explican el fenómeno de que la superposición es posible en el mundo de las partículas, pero no es posible con gatos u otros macroobjetos, interferencia del medio ambiente. Cuando un objeto cuántico pasa a través de un campo o interactúa con partículas aleatorias, inmediatamente asume un solo estado, como si estuviera medido. Así es como se destruye la superposición, como creían los científicos.
Pero incluso si de alguna manera fuera posible aislar un macroobjeto en un estado de superposición de las interacciones con otras partículas y campos, tarde o temprano todavía asumiría un solo estado. Al menos esto es cierto para los procesos que ocurren en la superficie de la Tierra.
“En algún lugar del espacio interestelar, tal vez un gato tenga la oportunidad de mantener la coherencia cuántica, pero en la Tierra o cerca de cualquier planeta esto es extremadamente improbable. Y la razón es la gravedad”, explica el autor principal del nuevo estudio, Igor Pikovski, del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.
Pikovsky y sus colegas de la Universidad de Viena argumentan que la gravedad tiene un efecto destructivo sobre las superposiciones cuánticas de macroobjetos y, por lo tanto, no observamos tales fenómenos en el macrocosmos. El concepto básico de la nueva hipótesis, por cierto, se resume en el largometraje Interstellar.
La teoría general de la relatividad de Einstein establece que un objeto extremadamente masivo doblará el espacio-tiempo cerca de él. Considerando la situación en un nivel más fino, podemos decir que para una molécula colocada cerca de la superficie de la Tierra, el tiempo pasará algo más lento que para la que está en la órbita de nuestro planeta.
Debido a la influencia de la gravedad en el espacio-tiempo, una molécula que ha estado bajo esta influencia experimentará una desviación en su posición. Y esto, a su vez, debería afectar su energía interna: las vibraciones de las partículas en una molécula, que cambian con el tiempo. Si una molécula se introdujera en un estado de superposición cuántica de dos ubicaciones, entonces la relación entre la posición y la energía interna pronto obligaría a la molécula a "elegir" sólo una de las dos posiciones en el espacio.
“En la mayoría de los casos, el fenómeno de la decoherencia está asociado a una influencia externa, pero en este caso, la vibración interna de las partículas interactúa con el movimiento de la propia molécula”, explica Pikovsky.
Este efecto aún no se ha observado, ya que otras fuentes de decoherencia, como los campos magnéticos, la radiación térmica y las vibraciones, suelen ser mucho más fuertes y provocan la destrucción de los sistemas cuánticos mucho antes que la gravedad. Pero los experimentadores están tratando de probar la hipótesis planteada.
Markus Arndt, físico experimental de la Universidad de Viena, está realizando experimentos para observar la superposición cuántica en objetos macroscópicos. Envía pequeñas moléculas al interferómetro, lo que le da a la partícula una "elección" de qué camino tomar. Desde el punto de vista de la mecánica clásica, una molécula solo puede ir en un sentido, pero una molécula cuántica puede recorrer dos caminos a la vez, interfiriendo consigo misma y creando un patrón ondulado característico.
También se puede utilizar una configuración similar para probar la capacidad de la gravedad para destruir sistemas cuánticos. Para ello, será necesario comparar los interferómetros vertical y horizontal: en el primero, la superposición debería desaparecer pronto debido a la dilatación del tiempo en diferentes "alturas" del camino, mientras que en el segundo, la superposición cuántica puede persistir.
