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El gato de Shrödinger, mucho más que una simple paradoja

Gato

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24/10/2020 - 08:00

¿Cuánto comprendemos en realidad de la paradoja del gato de Schrödinger? ¿Qué ha supuesto esta curiosa explicación para el desarrollo de la física cuántica en las últimas décadas?

El gato de Schrödinger ha pasado de ser una paradoja al alcance de unos pocos científicos, a formar parte de la cultura popular. Podemos encontrar a este desafortunado gato en camisetas, tazas y memes desde que la serie The Big Bang Theory le diera a conocer al gran público. 

La mayoría de personas tienen una relación muy superficial con esta historia, comprenden la idea de superposición como la paradoja de estar vivo y muerto a la vez hasta que se abre la caja. Sin embargo, el gato de Schrödinger esconde mucha más información, es un ejemplo gracioso de la complejidad del universo cuántico al que se estaba asomando la comunidad científica en los años 20 y que aún hoy sigue sin comprenderse bien. 

Hasta la aparición de la mecánica cuántica moderna en los años veinte del siglo pasado, los físicos estaban convencidos de que sus teorías eran deterministas. En ellas no cabía la ambigüedad. Una vez conocidas todas las condiciones iniciales de un sistema, nunca se ponía en duda el resultado de cualquier experimento. Este mundo de seguridad y certezas explotó por los aires con la llegada de la teoría cuántica, todo pasó a ser simplemente probable, un absoluto dolor de cabeza. 

La interpretación más conocida de la mecánica cuántica

Antes de comprender si el gato acaba muerto o vivo, tenemos que hacer un alto en el camino en esos locos años 20. Ante el caos de teorías e ideas que comenzaban a surgir sobre la física cuántica, los científicos trataban de discernir una teoría coherente y lo más completa posible. Así surge la Interpretación de Copenhague o la explicación más tradicional del mundo cuántico y nuestra relación con él.

Esta interpretación es fruto de científicos como Niels Bohr, Max Born y Werner Heisenberg, entre otros. Se presenta en 1927 en una conferencia en el lago Como, Italia (no eligieron mal sitio), aunque su nombre se lo debe a la ciudad en la que residía Bohr. A la hora de estudiar la mecánica cuántica, durante todo este tiempo ésta ha sido y sigue siendo la explicación más recurrente, se estudia en todas las universidades ya que sigue siendo válida y la más completa.

Hay que hacer especial hincapié en la palabra interpretación. No es una teoría como las que se conocían hasta el momento y está más cerca de la filosofía que de la precisión de las matemáticas. En la interpretación de Copenhague se entremezclan la mecánica de matrices de Heisenberg con la mecánica ondulatoria de Schrödinger. Se establece que un sistema cuántico, digamos una partícula, evoluciona en el tiempo como una onda en la que se incluyen todas las posibles posiciones y valores de la partícula, es decir, la superposición cuántica. 

También se indica que mientras no se midan las propiedades de esa onda, ésta permanece y sigue teniendo varios valores a la vez. La superposición se mantiene mientras nadie la observa y cuando nos decidimos a medirla, la onda desaparece y vuelve a transformarse en una partícula con una única posición, pero es imposible predecir con exactitud cuál será el resultado. Aquí es donde encontramos la conexión con la famosa paradoja de Schrödinger. 

Vivo o muerto

A raíz de esta interpretación surge el Gato de Schrödinger, un experimento mental con que el se pretende reflejar la paradoja que establecía la interpretación de Copenhague. Científicos como Albert Einstein fueron muy críticos con esta interpretación, quien llegó a decir que "Dios no juega a los dados". Incluso uno de los padres de esta interpretación, Schrödinger, no estaba convencido de lo que postulaba. 

En la paradoja, para los que no la recuerden bien, se introduce una gato vivo en una caja hermética. Junto a él hay una vasija cerrada con un gas venenoso y un dispositivo preparado para romper la vasija y dejar libre el gas que mataría al gato. El mecanismo se basa en átomos radiactivos que se desintegran de manera cuántica, por lo que su función de onda incluye ambos estados: integrado y no desintegrado.

Gato de Schrödinger

De Dhatfield - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4279886

El detector de partículas radiactivas hace la función de interruptor para dejar escapar o no el gas dependiendo de la posición del átomo. Al estar en superposición, el átomo está descompuesto y compuesto a la vez, por lo que el veneno está contenido y libre al mismo tiempo y, en consecuencia, el gato esta vivo y muerto de forma simultánea. Hay un 50% de probabilidades de que ambos desenlaces ocurran.

Con este experimento mental, Schrödinger pone de manifiesto los problemas que presentaba la Interpretación de Copenhague. Un gato no puede estar muerto y vivo a la vez. Para todos los seres humanos, con conocimientos sobre física o no, esta idea es ridícula. Así, con esta historia y un simple gato se plantean los puntos débiles de la interpretación

El gato de Schrödinger: la secuela

Entre esos puntos débiles, la interpretación dice que una onda pasa a ser partícula cuando la observas (a esto se le conoce como Colapso de la onda), como el niño que juega a hacer una maldad cuando no le miras y en el momento en que te giras, disimula con cara angelical. Esto parece no tener ni pies ni cabeza y acabó dando como resultado una segunda paradoja aún más extraña: El amigo de Wigner.

En esta paradoja Wigner introduce a un amigo (humano) dentro de un laboratorio observando un mecanismo similar al que explica Schrödinger y Wigner sale de la sala. ¿Cuándo se produce el colapso de onda?  El amigo de Wigner, al ser consciente a diferencia del gato, percibiría un resultado definido y nunca llegaría a encontrarse en un estado de superposición. (Si aquí has empezado a notar que te duele la cabeza, tranquilo, sigue leyendo)

Al final esta paradoja es infinita y está directamente relacionada con preguntas filosóficas que se han planteado durante toda la historia. Einstein, una vez más, volvió a dejarnos supuestamente una frase para la posteridad: ¿Crees realmente que la Luna no está allí cuando no miramos? 

La decoherencia cuántica

 

Con el tiempo, los científicos comprendieron por qué los problemas planteados por Schrödinger y Wigner no tenía sentido. La conciencia no es un requisito indispensable para influir en la mecánica cuántica. El hecho de que las superposiciones de un átomo se desmoronen no responde a un observador más o menos inteligente, sino a la interacción del sistema cuántico con el entorno, lo que llamaron "decoherencia".

Energía cuántica

La decoherencia cuántica nos dice que las partículas dejan de tener superposiciones cuando entran en contacto con otras partículas de su entorno y cuánto más grande es el sistema más interacción presenta con el entorno, por eso un átomo tiene propiedades cuánticas y un gato no. Esta es la línea divisoria entre el mundo cuántico y el real que la Interpretación de Copenhague no sabía explicar, pero intuía. 

Como vemos, con el tiempo la física ha desarrollado explicaciones más complejas y comprensibles que la interpretación inicial llena de lagunas de la que se "burlaba" el gato de Schrödinger. Al final, esta paradoja llevaba al absurdo una idea poco pulida, recordemos que era una interpretación, no una teoría. Aún así, la interpretación de Copenhague sigue siendo válida y posteriores experimentos lo han demostrado. 

Lo que fue una discusión algo alocada entre las grandes mentes del siglo XX ha llegado a nuestros días como un chiste de frikis, pero forma parte de la historia de la ciencia y desencadenó explicaciones más concisas a los problemas planteados por Schrödinger, Einstein y otros científicos. A día de hoy la física cuántica, aunque más estudiada, sigue siendo un enigma incomprensible que rompe con todo lo que conocemos, por eso terminamos recordando una de las frases más conocidas del Premio Nobel de Física, Richard Feyman: "Si crees que entiendes la física cuántica, en realidad no entiendes la física cuántica".