El gato de Schrödinger
En mecánica cuántica, el gato de Schrödinger es un experimento mental que ilustra una paradoja de la superposición cuántica. En el experimento mental, un gato hipotético puede considerarse vivo y muerto simultáneamente, mientras no se observa en una caja cerrada, como resultado de que su destino está vinculado a un evento subatómico aleatorio que puede ocurrir o no.
Este experimento mental fue ideado por el físico Erwin Schrödinger en 1935 en una discusión con Albert Einstein para ilustrar lo que Schrödinger vio como los problemas de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. El escenario a menudo se presenta en discusiones teóricas de las interpretaciones de la mecánica cuántica, particularmente en situaciones que involucran el problema de la medición.
Origen y motivación
Schrödinger pretendía que su experimento mental fuera una discusión del artículo de EPR (llamado así por sus autores Einstein, Podolsky y Rosen) de 1935. El artículo de EPR destacaba la naturaleza contraria a la intuición de las superposiciones cuánticas, en las que un sistema cuántico como un átomo o el fotón puede existir como una combinación de múltiples estados correspondientes a diferentes resultados posibles.
La teoría predominante, llamada interpretación de Copenhague, dice que un sistema cuántico permanece en superposición hasta que interactúa con el mundo exterior o es observado por él. Cuando esto sucede, la superposición colapsa en uno u otro de los posibles estados definidos. El experimento EPR muestra que un sistema con múltiples partículas separadas por grandes distancias puede estar en tal superposición. Schrödinger y Einstein intercambiaron cartas sobre el artículo EPR de Einstein, en el curso de las cuales Einstein señaló que el estado de un barril de pólvora inestable, después de un tiempo, contendrá una superposición de estados explotados y sin explotar.
Para ilustrar mejor, Schrödinger describió cómo se podría, en principio, crear una superposición en un sistema a gran escala haciéndolo dependiente de una partícula cuántica que estaba en una superposición. Propuso un escenario con un gato en una cámara de acero cerrada con llave, en el que la vida o la muerte del gato dependía del estado de un átomo radiactivo, ya sea que se hubiera desintegrado y emitido radiación o no. Según Schrödinger, la interpretación de Copenhague implica que el gato permanece tanto vivo como muerto hasta que se observa el estado. Schrödinger no deseaba promover la idea de gatos vivos y muertos como una posibilidad seria; por el contrario, pretendía que el ejemplo ilustrara lo absurdo de la visión existente de la mecánica cuántica. La idea de que las superposiciones cuánticas de estados macroscópicos podrían ser posibles condujo a la interpretación de muchos mundos de la teoría cuántica.
Desde la época de Schrödinger, los físicos han propuesto varias interpretaciones de las matemáticas de la mecánica cuántica, algunas de las cuales se refieren a los "vivos y muertos" superposición gato como bastante real, otros no. Pensado como una crítica de la interpretación de Copenhague (la ortodoxia predominante en 1935), el experimento mental del gato de Schrödinger sigue siendo una piedra de toque para las interpretaciones modernas de la mecánica cuántica y puede usarse para ilustrar y comparar sus fortalezas y debilidades.
Experimento mental
Schrodinger escribió:
Incluso se pueden establecer casos ridículos. Un gato está colgado en una cámara de acero, junto con el siguiente dispositivo (que debe ser asegurado contra interferencia directa por el gato): en un contador Geiger, hay un pequeño pedazo de sustancia radiactiva, tan pequeño, que tal vez en el curso de la hora uno de los átomos decae, pero también, con igual probabilidad, tal vez ninguno; si sucede, el tubo de contrapeso descarga y a través de un relé libera un pequeño martillo que rompe ácido. Si uno ha dejado todo este sistema a sí mismo por una hora, uno diría que el gato todavía vive si mientras que ningún átomo ha decaído. La primera caries atómica lo habría envenenado. La función psi de todo el sistema expresaría esto al tener en él el gato vivo y muerto (perdón la expresión) mezclado o manchado en partes iguales.
Es típico de estos casos que una indeterminación inicialmente restringida al dominio atómico se transforma en indeterminación macroscópica, que luego se puede resolver por observación directa. Eso nos impide aceptar tan ingenuamente como un "modelo azul" válido para representar la realidad. En sí mismo, no encarnaría nada claro o contradictorio. Hay una diferencia entre una fotografía desenfocada o desenfocada y una instantánea de nubes y bancos de niebla.
El famoso experimento mental de Schrödinger plantea la pregunta: "¿cuándo deja de existir un sistema cuántico como una superposición de estados y se convierte en uno u otro?" (Más técnicamente, ¿cuándo deja el estado cuántico real de ser una combinación lineal no trivial de estados, cada uno de los cuales se asemeja a diferentes estados clásicos, y en su lugar comienza a tener una descripción clásica única?) Si el gato sobrevive, solo recuerda estar vivo. Pero las explicaciones de los experimentos EPR que son consistentes con la mecánica cuántica microscópica estándar requieren que los objetos macroscópicos, como gatos y cuadernos, no siempre tengan descripciones clásicas únicas. El experimento mental ilustra esta aparente paradoja. Nuestra intuición dice que ningún observador puede estar en más de un estado simultáneamente; sin embargo, el gato, según parece del experimento mental, puede estar en tal condición. ¿Se requiere que el gato sea un observador, o su existencia en un único estado clásico bien definido requiere otro observador externo? Cada alternativa le pareció absurda a Einstein, quien quedó impresionado por la capacidad del experimento mental para resaltar estos problemas. En una carta a Schrödinger fechada en 1950, escribió:
Usted es el único físico contemporáneo, además de Laue, que ve que uno no puede moverse por la suposición de la realidad, si sólo uno es honesto. La mayoría de ellos simplemente no ven qué tipo de juego arriesgado están jugando con la realidad —realidad como algo independiente de lo que se establece experimentalmente. Su interpretación es, sin embargo, refutada más elegantemente por su sistema de átomo radioactivo + amplificador + carga de pólvora + gato en una caja, en la que la función psi del sistema contiene tanto el gato vivo y soplado a pedazos. Nadie duda que la presencia o ausencia del gato es algo independiente del acto de observación.
Tenga en cuenta que la carga de pólvora no se menciona en la configuración de Schrödinger, que utiliza un contador Geiger como amplificador y veneno hidrociánico en lugar de pólvora. La pólvora había sido mencionada en la sugerencia original de Einstein a Schrödinger 15 años antes, y Einstein la llevó a la presente discusión.
Interpretaciones
Desde la época de Schrödinger, se han propuesto otras interpretaciones de la mecánica cuántica que dan diferentes respuestas a las preguntas planteadas por el gato de Schrödinger de cuánto duran las superposiciones y cuándo (o si) se derrumban.
Interpretación de Copenhague
Una interpretación común de la mecánica cuántica es la interpretación de Copenhague. En la interpretación de Copenhague, un sistema deja de ser una superposición de estados y se convierte en uno u otro cuando tiene lugar una observación. Este experimento mental pone de manifiesto el hecho de que la naturaleza de la medición, u observación, no está bien definida en esta interpretación. El experimento puede interpretarse en el sentido de que mientras la caja está cerrada, el sistema existe simultáneamente en una superposición de los estados "núcleo decaído/gato muerto" y 'núcleo no decaído/gato viviente', y que solo cuando se abre la caja y se realiza una observación, la función de onda colapsa en uno de los dos estados.
Interpretación de Von Neumann
En 1932, John von Neumann describió en su libro Fundamentos matemáticos un patrón en el que la fuente radiactiva es observada por un dispositivo, que a su vez es observado por otro dispositivo, y así sucesivamente. No hace ninguna diferencia en las predicciones de la teoría cuántica donde a lo largo de esta cadena de efectos causales la superposición colapsa. Esta cadena potencialmente infinita podría romperse si el último dispositivo es reemplazado por un observador consciente. Esto resolvió el problema porque se afirmaba que la conciencia de un individuo no puede ser múltiple. Neumann afirmó que se necesita un observador consciente para colapsar en uno u otro (por ejemplo, un gato vivo o un gato muerto) de los términos en el lado derecho de una función de onda. Esta interpretación fue adoptada más tarde por Eugene Wigner, quien luego rechazó la interpretación en un experimento mental conocido como el amigo de Wigner.
Wigner supuso que un amigo abrió la caja y observó al gato sin decírselo a nadie. Desde la perspectiva consciente de Wigner, el amigo ahora es parte de la función de onda y ha visto un gato vivo y un gato muerto. Desde la perspectiva consciente de una tercera persona, el propio Wigner se vuelve parte de la función de onda una vez que Wigner aprende el resultado del amigo. Esto podría extenderse indefinidamente.
Interpretación de Bohr
Uno de los principales científicos asociados con la interpretación de Copenhague, Niels Bohr, ofreció una interpretación que es independiente de un colapso subjetivo de la función de onda inducido por el observador, o de la medición; en cambio, un "irreversible" o el proceso efectivamente irreversible causa la decadencia de la coherencia cuántica que imparte el comportamiento clásico de 'observación'. o "medición". Por lo tanto, el gato de Schrödinger estaría vivo o muerto mucho antes de que se observe la caja.
Una solución a la paradoja es que la activación del contador Geiger cuenta como una medida del estado de la sustancia radiactiva. Debido a que ya se ha producido una medición que decide el estado del gato, la observación posterior por parte de un ser humano registra solo lo que ya ha ocurrido. El análisis de un experimento real realizado por Roger Carpenter y A. J. Anderson encontró que la medición sola (por ejemplo, mediante un contador Geiger) es suficiente para colapsar una función de onda cuántica antes de que cualquier ser humano sepa el resultado. El aparato indica uno de dos colores dependiendo del resultado. El observador humano ve qué color se indica, pero no sabe conscientemente qué resultado representa el color. A un segundo ser humano, el que instaló el aparato, se le dice el color y se vuelve consciente del resultado, y se abre la caja para verificar si el resultado coincide. Sin embargo, se discute si la mera observación del color cuenta como una observación consciente del resultado.
Interpretación de muchos mundos e historias consistentes
En 1957, Hugh Everett formuló la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica, que no destaca la observación como un proceso especial. En la interpretación de muchos mundos, tanto el estado vivo como el muerto del gato persisten después de abrir la caja, pero son incoherentes entre sí. En otras palabras, cuando se abre la caja, el observador y el gato posiblemente muerto se dividen en un observador que mira una caja con un gato muerto y un observador que mira una caja con un gato vivo. Pero dado que los estados muerto y vivo son decoherentes, no existe una comunicación o interacción efectiva entre ellos.
Al abrir la caja, el observador se enreda con el gato, por lo que "observador afirma" correspondientes al estar vivo y muerto del gato se forman; cada estado del observador está entrelazado o vinculado con el gato de modo que la "observación del estado del gato" y el "estado del gato" corresponden entre sí. La decoherencia cuántica asegura que los diferentes resultados no interactúen entre sí. El mismo mecanismo de decoherencia cuántica también es importante para la interpretación en términos de historias consistentes. Sólo el "gato muerto" o el "gato vivo" puede ser parte de una historia consistente en esta interpretación. Generalmente se considera que la decoherencia evita la observación simultánea de múltiples estados.
El cosmólogo Max Tegmark ha propuesto una variante del experimento del gato de Schrödinger, conocida como máquina suicida cuántica. Examina el experimento del gato de Schrödinger desde el punto de vista del gato, y argumenta que al usar este enfoque, uno puede distinguir entre la interpretación de Copenhague y muchos mundos.
Interpretación de conjunto
La interpretación del conjunto establece que las superposiciones no son más que subconjuntos de un conjunto estadístico más grande. El vector de estado no se aplicaría a experimentos con gatos individuales, sino solo a las estadísticas de muchos experimentos con gatos preparados de manera similar. Los defensores de esta interpretación afirman que esto hace que la paradoja del gato de Schrödinger sea un asunto trivial o que no sea un problema.
Esta interpretación sirve para descartar la idea de que un solo sistema físico en la mecánica cuántica tiene una descripción matemática que le corresponde de alguna manera.
Interpretación relacional
La interpretación relacional no hace ninguna distinción fundamental entre el experimentador humano, el gato o el aparato, o entre sistemas animados e inanimados; todos son sistemas cuánticos regidos por las mismas reglas de evolución de funciones de onda, y todos pueden ser considerados 'observadores'. Pero la interpretación relacional permite que diferentes observadores puedan dar diferentes versiones de la misma serie de eventos, dependiendo de la información que tengan sobre el sistema. El gato puede ser considerado un observador del aparato; mientras tanto, el experimentador puede ser considerado un observador más del sistema en la caja (el gato más el aparato). Antes de que se abra la caja, el gato, por su naturaleza viva o muerta, tiene información sobre el estado del aparato (el átomo se ha desintegrado o no se ha desintegrado); pero el experimentador no tiene información sobre el estado del contenido de la caja. De esta manera, los dos observadores tienen simultáneamente diferentes versiones de la situación: para el gato, la función de onda del aparato parece "colapsar"; para el experimentador, el contenido de la caja parece estar superpuesto. Hasta que no se abre la caja y ambos observadores tienen la misma información sobre lo sucedido, ambos estados del sistema parecen "colapsar" en el mismo resultado definitivo, un gato que está vivo o muerto.
Interpretación transaccional
En la interpretación transaccional, el aparato emite una onda avanzada hacia atrás en el tiempo, que combinada con la onda que la fuente emite hacia adelante en el tiempo, forma una onda estacionaria. Las ondas se ven como físicamente reales y el aparato se considera un 'observador'. En la interpretación transaccional, el colapso de la función de onda es "atemporal" y ocurre a lo largo de toda la transacción entre la fuente y el aparato. El gato nunca está en superposición. Más bien, el gato está solo en un estado en un momento determinado, independientemente de cuándo el experimentador humano mire en la caja. La interpretación transaccional resuelve esta paradoja cuántica.
Efectos de Zenón
Se sabe que el efecto Zeno provoca retrasos en cualquier cambio desde el estado inicial.
Por otro lado, el efecto anti-Zeno acelera los cambios. Por ejemplo, si echa un vistazo a la caja del gato con frecuencia, puede retrasar la elección fatídica o, por el contrario, acelerarla. Tanto el efecto Zeno como el efecto anti-Zeno son reales y se sabe que les suceden a los átomos reales. El sistema cuántico que se está midiendo debe estar fuertemente acoplado al entorno que lo rodea (en este caso al aparato, la sala de experimentación... etc.) para poder obtener una información más precisa. Pero si bien no se transmite información al mundo exterior, se considera que es una cuasi-medida, pero tan pronto como la información sobre el bienestar del gato se transmite al mundo exterior (al asomarse a la caja) la cuasi-medida se convierte en medida. Las cuasi-medidas, como las medidas, provocan los efectos de Zenón. Los efectos de Zenón nos enseñan que incluso sin mirar dentro de la caja, la muerte del gato se habría retrasado o acelerado de todos modos debido a su entorno.
Teorías del colapso objetivo
Según las teorías del colapso objetivo, las superposiciones se destruyen espontáneamente (independientemente de la observación externa), cuando se alcanza algún umbral físico objetivo (de tiempo, masa, temperatura, irreversibilidad, etc.). Por lo tanto, se esperaría que el gato se haya asentado en un estado definido mucho antes de que se abra la caja. Esto podría expresarse libremente como 'el gato se observa a sí mismo', o 'el entorno observa al gato'.
Las teorías del colapso objetivo requieren una modificación de la mecánica cuántica estándar para permitir que las superposiciones sean destruidas por el proceso de evolución temporal. Idealmente, estas teorías podrían probarse creando estados de superposición mesoscópica en el experimento. Por ejemplo, los estados de gato de energía se han propuesto como un detector preciso de los modelos de decoherencia de energía relacionados con la gravedad cuántica.
Aplicaciones y pruebas
El experimento descrito es puramente teórico y no se sabe que la máquina propuesta haya sido construida. Sin embargo, experimentos exitosos que involucran principios similares, p. Se han realizado superposiciones de objetos relativamente grandes (según los estándares de la física cuántica). Estos experimentos no muestran que se pueda superponer un objeto del tamaño de un gato, pero el límite superior conocido en los 'estados de gato' ha sido empujado hacia arriba por ellos. En muchos casos, el estado es de corta duración, incluso cuando se enfría hasta casi el cero absoluto.
- Se ha logrado un "estado de gatos" con fotones.
- Un ión de berilio ha estado atrapado en un estado superpuesto.
- Un experimento que implica un dispositivo de interferencia cuántica superconductor ("SQUID") se ha relacionado con el tema del experimento del pensamiento: "El estado de la superposición no corresponde a mil millones de electrones que fluyen de una manera y mil millones de otros que fluyen de otra manera. Los electrones superconductores se mueven en masa. Todos los electrones superconductores en el flujo SQUID de ambos modos alrededor del bucle a la vez cuando están en el estado del gato de Schrödinger."
- Se ha construido un tenedor piezoeléctrico que se puede colocar en una superposición de estados vibradores y no vibradores. El resonador comprende unos 10 átomos trillones.
- Se ha propuesto un experimento con un virus de la gripe.
- Se ha propuesto un experimento con una bacteria y un oscilador electromecánico.
En computación cuántica, la frase "estado de gato" a veces se refiere al estado GHZ, en el que varios qubits están en una superposición igual de todos 0 y todos 1; p.ej.,
Según al menos una propuesta, es posible determinar el estado del gato antes de observarlo.
Extensiones
Físicos prominentes han llegado a sugerir que los astrónomos que observaron la energía oscura en el universo en 1998 pueden haber "reducido su expectativa de vida" a través de un escenario del gato pseudo-Schrödinger, aunque este es un punto de vista controvertido.
En agosto de 2020, los físicos presentaron estudios que involucraban interpretaciones de la mecánica cuántica que están relacionadas con las paradojas del gato de Schrödinger y el amigo de Wigner, lo que resultó en conclusiones que desafían suposiciones aparentemente establecidas sobre la realidad.
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