Experimento del gato de Schrödinger ¿Qué es la teoría de Schrödinger?
Schrödinger y el experimento del gato
Erwin Schrodinger fue un físico austríaco-irlandés famoso por crear un experimento mental que intentaba explicar lo absurdo de los resultados de la experimentación y las observaciones dentro del estudio de la mecánica cuántica. Schrödinger recibió el Premio Nobel por sus descubrimientos y contribuciones a su campo. El experimento mental que se le ocurrió a Erwin se conoce como el gato de Schrödinger. El propósito del experimento mental es señalar una posible paradoja que ocurre con respecto a la naturaleza de las superposiciones dentro de la mecánica cuántica. superposición cuánticaes una propiedad fundamental de los estados cuánticos y objetos cuánticos como electrones, quarks y gluones. Pero, ¿qué es exactamente la teoría de Schrödinger? ¿Y exactamente cuál es el punto del experimento mental del gato de Schrödinger? ¿Y qué implica sobre la física cuántica?
El experimento del gato en la caja
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El experimento mental del gato de Schrödinger no es un experimento físico real que se haya realizado alguna vez. En cambio, el experimento mental implica imaginar un conjunto de circunstancias que siguen las supuestas leyes de la mecánica cuántica y luego imaginar los posibles resultados de ese experimento imaginario y sus implicaciones. El gato de Schrödinger implica lo siguiente:
Supongamos que se coloca un gato dentro de una caja junto con un artilugio que consiste en una sustancia radiactiva controlada por un contador Geiger que está conectado a un interruptor que romperá automáticamente un frasco lleno de veneno si el contador Geiger detecta cualquier radiactividad. Para entender este experimento, el artilugio debe entenderse más.
Un contador Geiger es un dispositivo que puede medir la radiactividad. La radiactividad es una propiedad de algunos isótopos inestables de los elementos. Los núcleos de los elementos radiactivos se desintegran o liberan radiación en forma de rayos gamma o neutrones acelerados y se transforman en los núcleos de un elemento diferente más estable. La desintegración de elementos radiactivos ocurre a nivel cuántico entre las interacciones de quarks y gluones dentro de los protones y neutrones del núcleo de un átomo. La descomposición también es un proceso completamente aleatorio en el que no es posible predecir qué átomos dentro de una muestra de un elemento radiactivo sufrirán una descomposición en un momento dado. Para entender cómo o por qué es esto, y para entender cómo el experimento mental del gato de Schrödinger puede revelar la extraña naturaleza del mundo cuántico.
Dos lugares a la vez
Imagina que entras en una habitación y ves a tu amigo parado en el lado derecho de la habitación. ¡De repente te das la vuelta y ahí está tu amigo otra vez al otro lado de la habitación! Cada vez que miras hacia adelante y hacia atrás, ¡ahí está! ¿Está en dos lugares a la vez? Si bien este escenario puede parecer imposible, si usted y su amigo fueran muy, muy pequeños, sucedería todo el tiempo.
Cuando las cosas se vuelven realmente pequeñas, el mundo se vuelve cada vez más extraño. La mecánica cuántica es la ciencia que describe el comportamiento de las partículas en el mundo subatómico, donde las reglas normales que creemos rigen el universo parecen desaparecer. La teoría de la superposición cuántica dice que, a diferencia de tu amigo, las partículas subatómicas diminutas, como los electrones, en realidad pueden estar en varios lugares al mismo tiempo.
¿Cómo es esto posible? Tendemos a pensar que los electrones son pequeñas partículas con forma de bola que flotan dentro de un átomo, pero resulta que esta imagen no es del todo precisa. Por supuesto, una partícula solo puede estar en un lugar a la vez, pero en muchas situaciones, los electrones se comportan más como ondas que como partículas. A diferencia de las partículas, las ondas pueden atravesar muchos puntos simultáneamente. Los científicos llaman a este comportamiento dualidad onda-partícula, y significa que es realmente difícil determinar exactamente dónde se encuentra un electrón en un momento dado.
La teoría del gato de Schrödinger
La superposición cuántica es la idea de que ciertas partículas subatómicas pequeñas no siempre se comportan como partículas sólidas individuales, sino como ondas. Los físicos cuánticos llaman a esto dualidad onda-partícula, donde una partícula subatómica como un electrón puede comportarse a veces como una partícula, pero también como una onda. Considere un famoso experimento en el que se disparan electrones a través de una doble rendija antes de impactar en una pantalla de detección que registra su posición. El experimento de la doble rendija se utilizó por primera vez para demostrar que la luz tenía propiedades ondulatorias mediante la demostración de patrones de interferencia.
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Un patrón de interferencia ocurre cuando las ondas de luz que pasan a través de dos rendijas interfieren entre sí de manera constructiva o destructiva antes de proyectarse sobre una superficie. Esto es como dos fuentes de ondas de agua que propagan ondas que se cruzan entre sí.
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Donde la cresta o pico de una ola se encuentra con la cresta de otra, las ondas interfieren constructivamente y crean una franja brillante en la superficie sobre la que se proyecta la luz. Mientras que cuando la cresta de una ola se encuentra con el valle o valle de otra ola, las olas interfieren destructivamente entre sí y se anulan entre sí. Esto deja una franja oscura o sin luz en la superficie sobre la que se proyecta la luz. Esto es como cuando la cresta de una ola de agua se encuentra con el valle de otra ola de agua, se cancelan entre sí y el agua se vuelve plana y no hay ninguna ola presente.
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Ahora que se entiende cómo un patrón de interferencia demuestra propiedades ondulatorias, ¿cómo se comportó el electrón? Inesperadamente, los electrones también crean patrones de interferencia cuando se utilizan en el experimento de doble rendija. Aún más sorprendente fue que cuando se dispararon electrones en dos rendijas individualmente, o una a la vez, los datos generales recopilados durante un período de tiempo todavía equivalía a un patrón de interferencia. ¡Esto significaba que cada electrón individual estaba pasando a través de ambas rendijas a la vez e interfiriendo constructivamente y destructivamente consigo mismo! ¡Las partículas subatómicas como los electrones parecen poder estar en dos lugares a la vez! Por lo tanto, se puede pensar en un electrón como una función de onda en la que si su posición está determinada (por la pantalla de detección), esa posición debe ser el resultado de la posición del electrón en más de un estado, ascendiendo y emergiendo como su corriente observada porque el experimento crea un patrón de interferencia con el tiempo. Es decir, si la posición de un electrón individual se determina después de dispararlo a través de una doble rendija, su velocidad y el camino que siguió para terminar en su posición final no se pueden conocer porque para que se cree un patrón de interferencia, el electrón debe seguir múltiples caminos para interferir consigo mismo. Se determinó que esta era la naturaleza de las partículas subatómicas, es decir, que tenían la propiedad de las superposiciones cuánticas. Esta era la posición de la interpretación de Copenhague o las opiniones atribuidas a Niels Bohr y Werner Heisenberg.
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Según la interpretación de Copenhague, los quarks, las partículas subatómicas que componen los protones y los neutrones, también pueden existir como funciones de onda, lo que equivale a la aparente aleatoriedad de la desintegración radiactiva. Esto es análogo a cómo los electrones disparados individualmente a través de una doble rendija impactan una pantalla de detección en ubicaciones aparentemente aleatorias hasta que asciende y emerge como un patrón de interferencia con el tiempo. Con la desintegración radiactiva, los núcleos aleatorios de átomos radiactivos aparentemente se desintegran al azar y en momentos aleatorios, pero ascienden y emergen como la vida media constante de ese elemento en descomposición en el que la muestra general del elemento se desintegra a una velocidad predecible (fuera de la descomposición impredecible de los núcleos atómicos).
Toda esta extrañeza dentro del universo de lo muy pequeño no sentó bien a Erwin Schrodinger.
¿Cuál es el punto del gato de Schrödinger?
Erwin Schrodinger ideó el experimento mental del gato en la caja para resaltar el conflicto entre la naturaleza extraña de la mecánica cuántica y las superposiciones, con la física clásica que se observa en el nivel macro que los humanos están acostumbrados a observar (y que los gatos también experimentan). El gato de Schrödinger vincula de manera determinista el mundo cuántico con el mundo macro, lo que da como resultado suposiciones extrañas. Considere el experimento mental:
Si un gato está encerrado en una caja con un frasco de veneno que se romperá tan pronto como un contador Geiger detecte la descomposición de un solo núcleo atómico, entonces la vida del gato y su posterior muerte estarían causalmente ligadas al mundo cuántico y la mecánica cuántica. Es imposible predecir cuándo un solo núcleo se desintegrará y liberará radiación debido a la naturaleza de superposición de las partículas subatómicas involucradas en la desintegración radiactiva. Sin embargo, lo más seguro es que al menos un núcleo atómico de la sustancia radiactiva se va a desintegrar. Pero, ¿cuándo morirá el gato? De acuerdo con la interpretación de Copenhague, los núcleos radiactivos se encuentran en superposiciones de decaimiento y no decaimiento hasta que el contador Geiger observa decaimiento radiactivo. Al igual que el electrón pasa a través de ambas rendijas antes de que la pantalla de detección determine su posición final.
¿Qué es la teoría de Schrödinger?
Este experimento mental del gato en una caja fue imaginado por Erwin Schrodinger en 1935 en una discusión con Albert Einstein. Schrödinger intentaba ilustrar a Einstein problemas con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Es decir, a Schrödinger no le gustaron las implicaciones que presentaba el experimento mental si se asumía la interpretación de Copenhague. Si la vida y la muerte del gato están directamente ligadas a una partícula que existe en superposiciones, entonces el gato mismo también debe existir en superposiciones.
Lo que Schrödinger quería señalar es que una vez que se abre la caja, el gato solo se observará vivo o muerto; no ambos. Esto presenta el problema y la pregunta: ¿exactamente cuándo o dónde terminan las superposiciones cuánticas y la realidad colapsa como una posibilidad? ¿Y cómo se puede experimentar esto? ¿Cómo se ve esto para el gato? De manera similar, ¿en qué momento el electrón pasa de moverse a través de dos rendijas a la vez a ser detectado en una sola posición por la pantalla de detección al final del experimento de la doble rendija? La interpretación de Copenhague establece que una partícula o sistema cuántico permanece en superposiciones hasta que se observa o interactúa con el macro mundo o mundo externo. Pero, ¿qué significa eso? ¿Está el gato vivo y muerto hasta que se da cuenta u observa uno u otro? ¿O el colapso de las superposiciones cuánticas solo depende realmente deobservación humana?
A Erwin Schrödinger no le gustó la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica y lo aparentemente absurdo de que un gato existiera tanto vivo como muerto hasta que dejó de existir. Pero los datos resultantes de la experimentación con electrones son difíciles de negar. Sin embargo, otras interpretaciones intentan explicar el fenómeno de la superposición de otra manera para dar cuenta de sus extrañas implicaciones:
- La interpretación del conjunto establece que la paradoja del gato de Schrödinger es trivial y no un problema real. En cambio, las superposiciones cuánticas son subprobabilidades que no se entienden completamente, pero que equivalen a probabilidades y conjuntos estadísticos más grandes dentro de los experimentos que observan las superposiciones cuánticas. Es decir, al igual que el electrón que atraviesa una doble rendija tiene ciertas probabilidades de impactar en ciertas partes de la pantalla de detección más que en otras y, posteriormente, generar un patrón de interferencia, las superposiciones del electrón son solo un conjunto de cosas que aún no se comprenden. equivalente al electrón que se observa en las superposiciones.
- La interpretación transaccional establece que el sistema emite ondas hacia atrás en el tiempo al mismo tiempo que emite ondas hacia adelante en el tiempo. Por lo tanto, el futuro y el pasado interfieren entre sí y crean una onda estacionaria o las posiciones o estados que se observan como físicamente reales. En esta interpretación, todo el sistema es técnicamente el “observador”, y no solo el individuo que abre la caja en el experimento mental del gato de Schrödinger.
- La interpretación de los muchos mundos fue imaginada por Hugh Everett. Esta interpretación no convierte a la observación en una variable especial que determina los resultados de las superposiciones cuánticas. Esta interpretación establece que tan pronto como se presenta la circunstancia del gato en la caja, los mundos se separan entre sí donde tanto el estado del gato vivo como el muerto son reales, pero son incoherentes entre sí y no pueden interactuar entre sí. Cuando la persona abre la caja para observar al gato, ambos estados de una persona que presencia un gato vivo y un gato muerto se rompen y existen separados el uno del otro. Esta interpretación significa que las superposiciones no se colapsan entre sí y dan como resultado la realidad, sino que todas las superposiciones existen y son realidades separadas entre sí.
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Resumen de la lección
En general, el gato de Schrödinger es un experimento mental, no un experimento real, en el que se imagina que un gato en una caja tiene su vida y su muerte ligadas y determinadas por las superposiciones cuánticas de partículas radiactivas en descomposición. El experimento mental fue imaginado por el científico austriaco Erwin Schrodinger para señalar las extrañas o absurdas implicaciones de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Estas leyes se aplican a partículas subatómicas como los electrones que demuestran la dualidad onda-partícula.
Los electrones se comportan de tal manera que algunas propiedades del electrón son como ondas y otras como partículas. Esto crea el fenómeno de las superposiciones en las que las partículas cuánticas, como los electrones, pueden existir en más de un lugar a la vez, lo que se conoce como superposiciones cuánticas. El experimento mental de Schrödinger simplemente demostró la extrañeza de esta idea y pidió soluciones a los problemas implicados.
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