El gato de Schrödinger
El gato de Schrödinger es uno de los experimentos mentales más famosos de la física moderna. Erwin Schrödinger lo propuso en 1935 para plantear una pregunta que sigue siendo fundamental en la mecánica cuántica: ¿cómo debemos interpretar la superposición cuántica?
Según la mecánica cuántica, un sistema puede describirse como una superposición de varios estados posibles antes de que se realice una medición. Schrödinger trasladó esta idea a una situación cotidiana para mostrar lo extraño que resulta aplicar directamente las leyes cuánticas al mundo macroscópico.
El experimento nunca fue concebido para llevarse a cabo realmente. Se trata de un experimento mental creado para poner a prueba las consecuencias conceptuales de la interpretación de la mecánica cuántica dominante en aquella época.
El experimento mental
Imaginemos un gato encerrado en una caja completamente aislada del exterior.
Se trata únicamente de un experimento mental. Nunca se utilizó un gato real y Schrödinger jamás pretendió que esta situación se reprodujera en la práctica.
Dentro de la caja hay:
- una pequeña cantidad de material radiactivo;
- un contador Geiger;
- un martillo conectado al contador;
- un frasco de ácido cianhídrico;
- el gato.
La cantidad de material radiactivo se elige de manera que, al cabo de una hora, exista un 50 % de probabilidad de que se produzca una desintegración radiactiva y un 50 % de probabilidad de que no ocurra ninguna.
Si se produce la desintegración, el contador Geiger la detecta y activa el mecanismo del martillo. El martillo rompe el frasco, libera el veneno y provoca la muerte del gato.
Si no se produce ninguna desintegración, el mecanismo permanece inactivo y el gato sigue vivo.
La superposición cuántica
Según el formalismo matemático de la mecánica cuántica, antes de realizar una medición el núcleo radiactivo se describe como una superposición de dos posibilidades: haberse desintegrado y no haberse desintegrado.
Como el destino del gato depende del estado del núcleo, todo el sistema queda descrito por un único estado cuántico entrelazado que incluye dos alternativas:
- el núcleo no se ha desintegrado y el gato está vivo;
- el núcleo se ha desintegrado y el gato está muerto.
Desde el punto de vista matemático, ambas posibilidades forman parte del mismo estado cuántico mientras no se efectúe una medición.
Por tanto, la función de onda del sistema puede expresarse como una combinación lineal de esos dos estados.
¿En qué consiste la paradoja?
En la vida cotidiana nunca observamos un gato que esté vivo y muerto al mismo tiempo.
Cuando abrimos la caja y observamos el sistema, encontramos al gato en un estado definido: vivo o muerto. La cuestión central consiste en explicar cómo y cuándo la superposición cuántica da lugar a un único resultado observable.
Esta dificultad se conoce como problema de la medida y constituye una de las cuestiones fundamentales de la mecánica cuántica.
En otras palabras, el formalismo cuántico permite describir varios resultados posibles de manera simultánea, mientras que cada medición concreta muestra uno solo.
¿Por qué propuso Schrödinger este experimento mental?
Schrödinger no sostenía que un gato pudiera estar literalmente vivo y muerto al mismo tiempo.
Su objetivo era mostrar las consecuencias paradójicas que surgen al aplicar directamente el formalismo de la mecánica cuántica a objetos macroscópicos.
La propuesta surgió también en el contexto del debate provocado por Albert Einstein y por el famoso artículo EPR, publicado en 1935 por Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen. En ese trabajo se cuestionaba si la mecánica cuántica ofrecía una descripción completa de la realidad física.
Al relacionar el comportamiento cuántico de un sistema microscópico con el destino de un objeto tan familiar como un gato, Schrödinger hizo visibles las dificultades interpretativas que todavía ocupan un lugar central en la teoría cuántica.
El significado de la paradoja
El gato de Schrödinger no demuestra que un gato pueda existir realmente en dos estados contradictorios al mismo tiempo.
Lo que pone de manifiesto es la tensión entre la descripción matemática de la mecánica cuántica y nuestra experiencia cotidiana de una realidad formada por estados bien definidos.
Casi un siglo después de su formulación, el problema de la medida sigue siendo una de las cuestiones abiertas más importantes de los fundamentos de la mecánica cuántica.
Por este motivo, el gato de Schrödinger continúa siendo uno de los ejemplos más claros y utilizados para introducir los problemas conceptuales de la teoría cuántica.
Una analogía sencilla
Imaginemos que lanzamos una moneda al aire y la cubrimos inmediatamente con la mano.
En la física clásica, la moneda ya ha caído mostrando cara o cruz, aunque nadie haya observado todavía el resultado. El hecho de que lo desconozcamos no significa que la moneda carezca de un estado definido.
La mecánica cuántica describe los sistemas microscópicos de una forma diferente. Antes de efectuar una medición, un sistema puede representarse matemáticamente mediante una superposición coherente de varios estados posibles.
Schrödinger introdujo su famoso gato para mostrar lo problemático que resulta trasladar esta descripción cuántica a los objetos ordinarios del mundo macroscópico.
¿Puede realizarse el experimento?
El experimento mental original no se lleva a cabo en la práctica.
Además de las evidentes objeciones éticas, un objeto macroscópico como un gato interactúa constantemente con su entorno. Estas interacciones destruyen con gran rapidez la coherencia entre los distintos componentes de la superposición mediante un proceso conocido como decoherencia cuántica.
La decoherencia explica por qué las interferencias entre estados macroscópicamente distintos dejan de ser observables en condiciones normales. Sin embargo, por sí sola no resuelve por completo el problema de la medida ni explica por qué una observación concreta produce un resultado determinado.
Aun así, los principios físicos relacionados con este experimento se han comprobado en sistemas cuánticos mucho más pequeños y cuidadosamente controlados.
Estados de tipo gato en el laboratorio
Durante las últimas décadas, los físicos han conseguido preparar sistemas cuánticos que presentan superposiciones coherentes de estados claramente distinguibles. Estas superposiciones son análogas, en ciertos aspectos, a la descrita en el experimento mental de Schrödinger.
Entre los ejemplos más conocidos se encuentran:
- fotones preparados en estados de superposición;
- iones atrapados;
- dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID);
- resonadores mecánicos formados por miles de millones de átomos.
Estos experimentos demuestran que la superposición cuántica es un fenómeno físico real y observable. No se limita exclusivamente a los sistemas microscópicos, sino que también puede mantenerse en determinados sistemas mesoscópicos suficientemente aislados del entorno.
El gato de Schrödinger y la computación cuántica
En computación cuántica y en teoría de la información cuántica se utiliza la expresión estado de tipo gato para designar ciertas superposiciones coherentes de estados cuánticos macroscópicamente o mesoscópicamente distinguibles.
Un caso relacionado es el estado GHZ, llamado así por Daniel Greenberger, Michael Horne y Anton Zeilinger. En este estado, varios qubits se encuentran entrelazados y forman una superposición colectiva.
Los estados de tipo gato y los estados GHZ desempeñan un papel importante en el procesamiento de la información cuántica, el estudio del entrelazamiento, la metrología cuántica y el desarrollo de protocolos de corrección de errores cuánticos.
Principales interpretaciones
A lo largo del tiempo se han propuesto distintas interpretaciones para explicar el significado del experimento mental de Schrödinger y, de forma más general, la relación entre la evolución cuántica de un sistema y la aparición de resultados definidos durante una medición.
La interpretación de Copenhague
Según la formulación tradicional de la interpretación de Copenhague, antes de la medición el sistema se describe mediante una superposición de estados posibles.
Cuando se realiza la medición, la función de onda se reduce o colapsa y el sistema queda asociado a uno de los resultados permitidos.
Aunque esta interpretación permite predecir correctamente los resultados experimentales, no establece un mecanismo físico universal que explique el colapso de la función de onda. Tampoco define de manera inequívoca qué debe entenderse exactamente por una medición.
La interpretación de los muchos mundos
Según la interpretación propuesta originalmente por Hugh Everett, la función de onda universal nunca colapsa y evoluciona siempre de acuerdo con la ecuación de Schrödinger.
Durante una medición, el sistema observado, el aparato de medida y el observador pasan a formar un sistema entrelazado. Debido a la decoherencia, las distintas alternativas evolucionan en ramas que, a efectos prácticos, dejan de interferir entre sí.
En una de esas ramas, el gato está vivo.
En otra, el gato está muerto.
Cada observador experimenta un único resultado definido dentro de la rama a la que pertenece.
La interpretación relacional
La interpretación relacional, desarrollada por Carlo Rovelli, sostiene que el estado de un sistema físico no es una propiedad absoluta, sino que siempre se define con respecto a otro sistema físico.
Por tanto, distintos sistemas pueden atribuir descripciones diferentes a un mismo proceso sin que exista contradicción. Cada descripción depende de la relación física que se esté considerando.
Las interpretaciones basadas en la conciencia
Algunas propuestas históricas sostienen que la reducción de la función de onda solo se completa cuando un observador consciente conoce el resultado de la medición.
Aunque estas propuestas representan hoy una postura minoritaria, dieron lugar a otros experimentos mentales influyentes, como el del amigo de Wigner.
Otras interpretaciones
Entre otros enfoques teóricos se encuentran:
- la interpretación transaccional;
- las teorías de colapso objetivo;
- la interpretación estadística o de conjuntos.
Cada una de estas propuestas ofrece una explicación diferente sobre la relación entre la superposición cuántica, el proceso de medida y la aparición de un único resultado observable.
Y así sucesivamente.
