Ilustración de la Paradoja de Schrödinger. Crédito de imagen: Apogeo Magazine
No sabemos si está vivo o muerto, pero sí sabemos si está vivo o muerto.
En el campo de la física cuántica, la paradoja conocida como «Gato de Schrödinger» fue propuesta por el físico austriaco Erwin Schrödinger en 1935 como una crítica a ciertos aspectos de la teoría cuántica.
Esta paradoja se basa en un experimento mental hipotético que demuestra descubrimientos extraños sobre la mecánica cuántica, la teoría que explica cómo se comportan las partículas subatómicas.
El experimento mental del gato de Schrödinger sugiere lo siguiente:
Imaginemos una caja sellada que contenga un gato, una sustancia radiactiva y un detector de partículas.
El detector de partículas está conectado a una fuente radiactiva con una probabilidad del 50 % de desintegrarse en un tiempo determinado.
El detector de partículas se encenderá si el material radiactivo se desintegra y liberará un veneno que matará al gato.
Si esta sustancia no se descompone, el gato seguirá vivo.
El núcleo de la paradoja radica en que, según la mecánica cuántica, el gato se encontraba en un estado de superposición antes de abrir la caja y observarlo. Esto significa que, desde el punto de vista de la teoría cuántica, el gato está vivo y muerto. No es que el gato esté en un estado intermedio, sino que, según la mecánica cuántica, está en los dos estados posibles al mismo tiempo.
Solo después de desembalarlo y observarlo, la función de onda del sistema «colapsa» en uno de dos estados posibles y el gato entra en uno de los dos estados: vivo o muerto.
Esta paradoja del gato de Schrödinger ilustra el concepto de superposición cuántica, que implica que las partículas pueden existir simultáneamente en diferentes estados hasta que se miden u observan.
La paradoja plantea preguntas profundas.
Explica la mecánica cuántica y la naturaleza de la realidad a nivel subatómico.
Es crucial destacar que el gato de Schrödinger es un experimento mental teórico que no se ha llevado a cabo con un gato real.
Por el contrario, se utiliza para ilustrar los conceptos y las implicaciones de la mecánica cuántica y estimular debates filosóficos sobre la superposición de estados, el colapso de la función de onda y el papel del observador en la teoría cuántica.
La paradoja del gato de Schrödinger ha sido objeto de debate y explicación en la física y la filosofía cuánticas durante décadas.
Se han propuesto diversas interpretaciones de la mecánica cuántica para abordar estas cuestiones,
La interpretación de Copenhague:
La Interpretación de Copenhague es una de las interpretaciones fundamentales de la mecánica cuántica y fue desarrollada principalmente por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920. Esta interpretación aborda la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica y cómo se realiza una medición en el mundo cuántico. Aquí hay algunos puntos clave de la Interpretación de Copenhague:
Principio de Superposición: La mecánica cuántica permite que un sistema cuántico exista en una superposición de estados hasta que se realice una medición. En términos sencillos, esto significa que un objeto cuántico puede estar en múltiples estados simultáneamente.
Colapso de la Función de Onda: Cuando se realiza una medición, la función de onda del sistema «colapsa» a uno de los estados posibles. Este colapso es probabilístico, y la probabilidad de que el sistema termine en un estado particular está relacionada con la magnitud de la función de onda en ese estado.
Indeterminación Cuántica: La Interpretación de Copenhague abraza el principio de indeterminación de Heisenberg, que establece que no se pueden conocer simultáneamente con precisión ciertos pares de variables conjugadas, como la posición y el momento de una partícula.
Importancia del Observador: La interpretación destaca la importancia del observador y del acto de medir en el proceso cuántico. La realidad cuántica se define en términos de observaciones y mediciones realizadas por un observador.
Dualidad Onda-Partícula: La Interpretación de Copenhague reconoce la dualidad onda-partícula de las partículas cuánticas. Dependiendo de la naturaleza de la medición, las partículas pueden exhibir comportamientos de onda o de partícula.
Es importante destacar que la Interpretación de Copenhague ha sido objeto de debates y críticas a lo largo de los años. Algunos físicos han encontrado insatisfactorio el papel subjetivo del observador en la teoría y han buscado formulaciones más objetivas. Sin embargo, a pesar de las críticas, la Interpretación de Copenhague sigue siendo ampliamente enseñada y utilizada en la enseñanza de la mecánica cuántica.
Interpretación de Muchos Mundos:
La Interpretación de Muchos Mundos (Many-Worlds Interpretation, MWI) es una propuesta en la mecánica cuántica que fue formulada por Hugh Everett III en 1957. Esta interpretación aborda la naturaleza de la superposición cuántica y el colapso de la función de onda de una manera diferente a la Interpretación de Copenhague. Aquí hay algunos aspectos clave de la Interpretación de Muchos Mundos:
Superposición y Bifurcación: En lugar de postular un colapso de la función de onda, la MWI sostiene que cuando un sistema cuántico se encuentra en un estado de superposición, todos los posibles resultados de la medición coexisten en realidades paralelas. En lugar de colapsar a un único estado, el universo se bifurca en múltiples universos.
Universos Paralelos: Según la MWI, cada posible resultado de una medición ocurre en un universo separado. Por ejemplo, si un electrón está en superposición de estados A y B, después de la medición, el universo se divide en dos: uno donde el electrón está en el estado A y otro donde está en el estado B.
Conservación de la Probabilidad: En la MWI, la conservación de la probabilidad se mantiene a través de la idea de que la probabilidad total de todos los resultados posibles es igual a uno, y cada resultado ocurre en su propio universo. La probabilidad se distribuye entre los universos de manera que la suma total sigue siendo uno.
Irreversibilidad de la Bifurcación: La bifurcación del universo es irreversible; una vez que ha ocurrido, los dos universos resultantes evolucionan de manera independiente. Los observadores en cada universo tienen la impresión de que su resultado particular es el único que sucedió.
Problema de la Medición y Decoherencia: La MWI aborda el problema de la medición mediante la incorporación de la decoherencia cuántica. La decoherencia se refiere a la pérdida gradual de la coherencia cuántica entre los estados superpuestos debido a las interacciones con el entorno.
La Interpretación de Muchos Mundos es una de las interpretaciones más especulativas y controvertidas de la mecánica cuántica. Aunque resuelve algunos problemas filosóficos asociados con el colapso de la función de onda, también introduce la idea de un número infinito de universos paralelos, lo cual es un concepto difícil de verificar experimentalmente y ha generado diversas opiniones dentro de la comunidad científica.
Interpretación de Bohm o de Variables Ocultas:
La Interpretación de Bohm, también conocida como la teoría de variables ocultas, fue propuesta por el físico David Bohm en 1952. A diferencia de la Interpretación de Copenhague, que se basa en la idea de la función de onda y la probabilidad inherente en la mecánica cuántica, la Interpretación de Bohm introduce variables ocultas adicionales para proporcionar una descripción más determinista de los sistemas cuánticos. Aquí hay algunos aspectos clave de esta interpretación:
Variables Ocultas: En la Interpretación de Bohm, se postula que las partículas cuánticas, a pesar de exhibir comportamientos probabilísticos, tienen propiedades bien definidas, conocidas como «variables ocultas». Estas variables determinan las trayectorias y propiedades precisas de las partículas.
Función de Onda Piloto: Junto con las variables ocultas, la Interpretación de Bohm utiliza una función de onda «piloto» que evoluciona según la ecuación de Schrödinger. Sin embargo, a diferencia de la Interpretación de Copenhague, la función de onda en la Interpretación de Bohm no se considera una descripción completa de la realidad física, sino más bien una guía para las partículas.
Determinismo: A través de las variables ocultas y la función de onda piloto, la Interpretación de Bohm busca restaurar el determinismo en la mecánica cuántica. Esto implica que, en principio, el estado futuro de un sistema cuántico puede determinarse completamente si se conocen con precisión las variables ocultas y la función de onda piloto.
No Localidad: Aunque la Interpretación de Bohm proporciona una descripción determinista, también introduce no localidad. Las partículas pueden estar correlacionadas de manera instantánea a grandes distancias, lo que es consistente con los fenómenos cuánticos como la intrincación cuántica.
Efecto Aharonov-Bohm: La Interpretación de Bohm predice y explica fenómenos como el efecto Aharonov-Bohm, donde un campo magnético que no afecta directamente una partícula puede influir en su fase cuántica.
Es importante destacar que, aunque la Interpretación de Bohm proporciona una descripción determinista y local de los sistemas cuánticos, sigue siendo una interpretación menos común de la mecánica cuántica en comparación con la Interpretación de Copenhague y la Interpretación de Muchos Mundos. Además, la no localidad presente en la teoría plantea desafíos conceptuales que han sido objeto de debate en la comunidad científica.
Interpretación de Consistencia Histórica:
La Interpretación de Consistencia Histórica es una propuesta en la mecánica cuántica desarrollada por Murray Gell-Mann y James Hartle. Esta interpretación es una de las llamadas interpretaciones cuánticas sin colapso, que buscan abordar el problema del colapso de la función de onda de manera diferente a la Interpretación de Copenhague. Aquí hay algunos aspectos clave de la Interpretación de Consistencia Histórica:
Universo como un Sistema Cuántico: En lugar de considerar el universo como un objeto clásico que evoluciona en el tiempo, la Interpretación de Consistencia Histórica trata al universo en su conjunto como un sistema cuántico.
Superposición de Estados del Universo: Según esta interpretación, el universo existe en una superposición de estados cuánticos. La función de onda del universo evoluciona de acuerdo con la ecuación de Schrödinger, lo que implica que el universo sigue una trayectoria definida en el espacio de Hilbert.
Consistencia Histórica: La Interpretación de Consistencia Histórica enfatiza la idea de que la historia del universo es consistente en sí misma. Las superposiciones cuánticas que no son consistentes con la historia pasada del universo se desvanecen o se descartan en el proceso de evolución cuántica.
Colapso Aparente: A pesar de la ausencia de un colapso de la función de onda en el sentido convencional, la Interpretación de Consistencia Histórica explica por qué percibimos un universo clásico. Se argumenta que las superposiciones inconsistentes con la historia pasada del universo se vuelven cada vez más improbables a medida que evoluciona la función de onda, y esto puede dar la impresión de un colapso.
Ecuación de Wheeler-DeWitt: La evolución del universo en la Interpretación de Consistencia Histórica se describe mediante la ecuación de Wheeler-DeWitt, que es una forma de la ecuación de Schrödinger adaptada para el contexto cosmológico.
Esta interpretación se centra en abordar la naturaleza del tiempo y la evolución del universo en términos cuánticos, evitando la necesidad de un colapso de la función de onda. La idea de consistencia histórica implica que el universo evoluciona de manera coherente y que las superposiciones cuánticas no consistentes con la historia pasada del universo se vuelven cada vez más improbables. La Interpretación de Consistencia Histórica es una de varias propuestas en el campo de las interpretaciones cuánticas sin colapso.
Interpretación de la Decoherencia Cuántica:
La Interpretación de la Decoherencia Cuántica es un enfoque que busca explicar cómo los sistemas cuánticos aparentemente se vuelven clásicos a medida que interactúan con su entorno. Propone que la pérdida gradual de la coherencia cuántica, conocida como decoherencia, es responsable de la aparente transición de comportamientos cuánticos a comportamientos clásicos. A continuación, se presentan algunos aspectos clave de esta interpretación:
Interacción con el Entorno: La decoherencia cuántica se produce cuando un sistema cuántico interactúa con su entorno. Las interacciones con partículas ambientales causan entrelazamiento cuántico entre el sistema y el entorno, lo que conduce a una pérdida de coherencia cuántica.
Efecto de «Lavado»: La decoherencia «lava» las superposiciones cuánticas, haciendo que las fases relativas entre los términos de la superposición sean cada vez menos importantes. Como resultado, los términos de la superposición que no son consistentes con el entorno se vuelven cada vez más irrelevantes.
Estado Diagonal en la Base del Entorno: Durante el proceso de decoherencia, el sistema cuántico tiende a evolucionar hacia un estado diagonal en la base del entorno. Esto significa que los estados cuánticos del sistema son cada vez más bien definidos y clásicos desde el punto de vista de las propiedades del entorno.
Irreversibilidad Aparente: Aunque la decoherencia cuántica no es un proceso completamente reversible, la aparente irreversibilidad puede surgir debido a la amplificación de las diferencias cuánticas durante la interacción con el entorno.
Consistencia con la Mecánica Cuántica Estándar: La interpretación de la decoherencia cuántica es consistente con la formulación estándar de la mecánica cuántica y no requiere modificaciones fundamentales de la teoría cuántica.
Esta interpretación no pretende resolver el problema de la medición en sí misma, pero sugiere que la aparente transición de la mecánica cuántica a la clásica puede entenderse a través de los procesos de decoherencia cuántica. Aunque la decoherencia no elimina por completo la superposición cuántica, puede hacer que los estados cuánticos aparezcan clásicos en la práctica, ya que los términos cuánticos irrelevantes se vuelven cada vez menos observables. La decoherencia cuántica es un tema activo de investigación en la física cuántica.
