El Gato de Schrödinger: ¿Vivo y muerto?

Volvemos a una de las temáticas más fascinantes de la ciencia: la física cuántica. En esta ocasión nos centraremos en una paradoja formulada en 1935 por uno de los padres de la física cuántica: Erwin Schrödinger. Hablamos del experimento mental: “El Gato de Schrödinger”. En esta entrada pretenderé dar una visión general de este experimento, relacionado con una de las características principales de la cuántica: la superposición. Espero que esta entrada sirva para aclarar un poco mis ideas sobre este asunto, y por supuesto, aspiro a que pueda aclarar también las ideas de alguno de vosotros. Vamos allá:

Ya hemos visto en entradas anteriores que el mundo subatómico no tiene nada que ver con la realidad que nosotros percibimos. En esta escala, las leyes que se aplican desafían por completo nuestro sentido común y nuestra percepción de la naturaleza. Entramos en el mundo de lo más pequeño, un mundo gobernado por la física cuántica.

Antes del establecimiento de la física cuántica la mayoría de los hechos naturales se podían explicar con la física desarrollada por Newton. Eran tiempos en los que muchos pensaban que la física tenía ya poco que decir para describir la realidad. Las leyes naturales parecían estar establecidas.

La física newtoniana (también llamada física clásica) se aplicaba, y se aplica, perfectamente a nuestra escala, pero el problema surgió cuando se empezó a profundizar en el mundo atómico y subatómico. La física clásica no era capaz de explicar los sistemas atómicos. Por ejemplo, aplicando la física clásica, los electrones de un átomo deberían precipitarse hacia el núcleo atómico (cosa que obviamente no ocurre, de lo contrario ahora mismo no estarías leyendo esto). Había que elaborar una nueva teoría física que encajase con las nuevas experiencias realizadas, y muchos físicos se pusieron manos a la obra, entre ellos nuestro protagonista, el físico austríaco Erwin Schrödinger.

En 1925 Erwin Schrödinger desarrolló una de las fórmulas centrales de la física cuántica, la ecuación de Schrödinger, una ecuación que pone de manifiesto el carácter dual y probabilístico en física cuántica y que permite describir la evolución temporal de partículas microscópicas, como el electrón, asignándole una función de onda. ¡Qué me dices! ¿Partículas que a la vez son ondas? Sí, como lo lees. (Puedes profundizar sobre el tema en una entrada anterior pinchando aquí).

Continuemos. Pero antes de meternos de lleno en el experimento, tenemos que intentar aclarar un concepto de la física cuántica: la superposición.

La superposición es un principio fundamental según el cual dos o más posibles estados de un sistema cuántico se dan de forma simultánea, obteniéndose uno de ellos, únicamente tras la medida del mismo. Pues me quedo igual que estaba... Para aclararlo un poco pondremos un ejemplo:

Supongamos que tenemos un electrón de tal manera que una de sus propiedades, "color del pelo", sólo puede adoptar los valores "rubio" o "moreno". Vale, es un ejemplo bastante, bastante absurdo, pero para el caso que nos ocupa nos vendrá bien. La cuestión es que la cuántica nos dice que si dos estados son posibles, es decir, si cada uno de ellos satisface la ecuación de Schödinger, una combinación de esos dos estados también es posible. Es decir, si es posible que el electrón tenga la propiedad "rubio" y "moreno", también es posible que tenga la propiedad "rubio y moreno" simultáneamente. El electrón es rubio y moreno a la vez. Esta superposición de estados se da hasta el momento en el que se realiza la medición de la propiedad, en el que el electrón arrojará un valor de "rubio" o un valor de "moreno", pero no los dos de manera simultanea. Con la medición se dice entonces que la función de onda "colapsa" a uno de sus estados: "rubio" o "moreno". Cosas raras estas de la cuántica, pero si no fuese por ellas, no se podrían haber desarrollado multitud de aparatos, sin ir más lejos, el dispositivo donde estás leyendo esto no se podría haber fabricado, o el láser de un lector de DVD, o los aparatos de resonancia magnética de los hospitales.

Esta ecuación nos indica que si un posible estado del electrón es “rubio”, y otro “moreno”, entonces la combinación de estados: “rubio” y “moreno” es posible. Cuando realizamos la medición, el estado “colapsa” inevitablemente a sólo uno de los dos, con una probabilidad del 50% de cada uno de ellos.

Para el ejemplo que hemos puesto, antes de realizar la medición no tenemos forma de saber si el resultado tras la medición va a ser "rubio" o "moreno". Un 50 % de las veces que hagamos la medición obtendremos "rubio" y el otro 50 %, "moreno". Es decir, antes de la medición, sólo podemos afirmar que la probabilidad de obtener un resultado de "rubio" es del 50%, pudiendo decir lo mismo del resultado "moreno". Me reitero: podríamos pensar que el electrón siempre ha sido "rubio" o "moreno", pero que obviamente desconocíamos su estado pues no lo habíamos observado. Pero lo que la cuántica nos dice es que antes de realizar la medición el electrón es "rubio" y "moreno" a la vez.

Pero vayamos al experimento objeto de esta entrada: El experimento del gato de Schrödinger. Es un experimento imaginario planteado en 1935 por Schrödinger para exponer una de las interpretaciones más contraintuitivas de la mecánica cuántica. Schrödinger ideó el siguiente experimento mental:

Imagina un gato encerrado en una caja opaca con un dispositivo en su interior que contiene un sistema cuántico formado por una partícula radiactiva con una probabilidad de desintegrarse del 50%, de tal forma que si se desintegra acciona un mecanismo que libera un veneno mortal contenido en un frasco que mataría al gato.

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

Hay dos estados posibles para el sistema cuántico: "desintegración" y "no desintegración". Y según hemos visto, si los dos estados son posibles, es decir, si satisfacen la ecuación de Schrödinger, la combinación de los mismos también es posible. De esta manera, podemos afirmar que la partícula se encuentra “desintegrada” y “no desintegrada” simultáneamente hasta que no realizamos la medición. Recuerda: lo creas o no, pues el tema es muy contraintuitivo, es un principio fundamental de la cuántica ampliamente demostrado. La paradoja surge cuando dirigimos nuestra atención en el estado del gato. El gato no es un sistema cuántico, sin embargo su estado, en este caso “vivo” o “muerto”, depende directamente del estado de un sistema cuántico como es la partícula radiactiva. De esta manera, si la partícula se encuentra en la superposición de estados comentada, el gato debería encontrarse también en una superposición de estados: “vivo” y “muerto” y sólo cuando abramos la caja para observar (cuando se realice la medición), el gato colapsará a uno de sus estados, es decir, encontraremos al gato “vivo” o “muerto”. ¿Quiere esto decir que mientras no observemos el gato está vivo y muerto a la vez? ¿Puede esto ser posible?

Esta ecuación nos indica que si un posible estado del gato es “vivo”, y otro “muerto”, entonces la combinación de estados: “vivo” y “muerto” es posible. Cuando realizamos la medición, el estado “colapsa” inevitablemente a sólo uno de los dos, con una probabilidad del 50% de cada uno de ellos.

Vamos a rizar el rizo. Imagina que el gato tiene un dispositivo conectado al mismo que detecta los latidos de su corazón, de tal manera que si éstos cesan, el dispositivo envía una señal que activa una bomba atómica de potencia capaz de arrasar con la vida en la tierra. Siguiendo el razonamiento, ¡Estaríamos todos vivos y muertos!

Queda claro que esto no es posible. Puedes pensar entonces que la cuántica falla, que no puede ser que un sistema cuántico se encuentre en dos estados a la vez, pues esto podría implicar que un sistema macroscópico asociado al anterior (el gato o incluso la vida en la Tierra entera) podría estar en dos estados simultáneamente. Pero te vuelvo a repetir una vez más: el estado de la partícula radiactiva es "desintegrada" y "no desintegrada" simultáneamente, mientras no se produzca la medición. Éste es un hecho ampliamente comprobado. (Perdona mi insistencia, pero te recomiendo una vez más que leas la siguiente entrada: ¿Qué eres: Onda o Partícula?, donde se pone de manifiesto este hecho).

¿Qué ocurre entonces? ¿Por qué no vemos estados superpuestos en nuestra escala? ¿Qué hace que la función de onda colapse en uno de los estados? ¿Cómo se resuelve la paradoja? Entramos ahora en terreno algo farragoso... 

Han habido muchas propuestas para explicar la paradoja, es decir, para explicar por qué no hay tal paradoja. Expondremos aquí las dos más importantes:

1. Universos paralelos de Hugh Everett.

Según esta teoría, la función de onda no colapsa, sino que se produce un desdoblamiento del universo cuando se realiza la medición. Es decir, para el caso que nos ocupa, el Universo se desdobla en dos: un Universo en el que el gato está muerto y otro en el que el gato se encuentra vivo.

De Christian Schirm - Trabajo propio, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17512691

Según esta teoría en cada medición de un sistema aparecerían tantos universos como posibles estados del sistema... ¡Hablamos de una cantidad inimaginablemente inmensa de Universos! Como podrás intuir, esta teoría no es la más aceptada. 

2. ¡Es la Decoherencia, estúpido! 
(Nada más lejos de la realidad que mi intención sea insultar a nadie, es simplemente un guiño a una popular expresión)

Personalmente ésta es la explicación de la paradoja que más me atrae. Antes de verla te aviso que no soy experto en la materia, únicamente soy aficionado. A continuación daré mi punto de vista sobre el asunto, creo que el más aceptado en el mundo académico, pero estoy seguro que plasmaré algunas consideraciones que puede que no sean todo lo formales que deberían. Si sabes del tema y algo te chirría, agradecería que lo indicases en los comentarios. Veamos:

Para realizar la medición de cualquier sistema tenemos que interactuar con él. Por ejemplo, el color de una manzana que observamos es debido a las ondas de luz visible de una determinada frecuencia que llegan a nuestros ojos, rebotadas de la manzana. Es decir, el objeto está interactuando físicamente con nosotros todo el tiempo mientras lo observamos. El hecho de observar la manzana no afecta a su estado macroscópico, pero la cosa cambia cuando nos adentramos en el mundo de lo más pequeño, el mundo cuántico. En éste, la medición afecta irreversiblemente al sistema, tal como expliqué en esta entrada: "Heisenberg y su incertidumbre". Un sistema cuántico puede encontrarse en una superposición de estados, pero su interacción con el medio, que al fin y al cabo no deja de ser un proceso de medición, hace que el sistema colapse a uno de sus estados.

Aquí está la clave. La interacción con el medio supone la medición de un sistema cuántico, un proceso que afecta irreversiblemente al mismo, provocando el colapso de la función de onda, "obligando" al sistema a adoptar uno de sus posibles estados. A este proceso se denomina decoherencia: el tránsito de la realidad cuántica a la realidad clásica, a nuestra escala. Y ésta es la explicación de por qué no vemos superposiciones de estado a nuestra escala. De esta manera, al interactuar el ambiente con el sistema cuántico, provoca el colapso de la función de onda. Podríamos decir que para que se dé la superposición el sistema cuántico debe estar en unas condiciones extremadamente controladas, sin perturbaciones del medio y con muy pocos estados posibles. Queda claro que en una caja con un gato, con aire alrededor, cualquier molécula del aire, cualquier cambio de temperatura, puede ocasionar el colapso. Por no decir la cantidad de estados en los que puede encontrarse el gato, ya que es obvio que las únicas propiedades del gato no son "estar vivo" o "estar muerto".

Y esta es la cuestión de por qué no vemos la superposición a nuestra escala. En ésta, hay millones y millones de interacciones, millones "procesos de medición" que provocan el colapso. El gato con el resto de componentes del experimento es un sistema demasiado complejo como para que se de la superposición.

Cabría preguntarse cómo de macroscópico o complejo debe ser un sistema para que tenga lugar el colapso ¿dónde se encuentra en límite en el que podamos observar fenómenos cuánticos?. En las últimas décadas se están consiguiendo avances en este sentido, llegando a conseguir efectos cuánticos en sistemas con un elevado número de átomos con unas condiciones extremadamente controladas. El problema pues, no es tanto de tamaños de los sistemas, sino de las condiciones de los experimentos (asegurar que no hay perturbaciones) y del número de estados posibles de los sistemas.

Gracias al desarrollo de la ciencia hemos podido tener otra visión de lo que llamamos "realidad". Gracias a la ciencia sabemos que el Universo tal y como lo conocemos viene determinado por nuestra escala, nuestros sentidos, nuestra evolución como especie. Vivimos presos de nuestra percepción a nuestra escala, pero gracias a la ciencia sabemos que todo lo que nos rodea es mucho más inmenso, fascinante y extraño de lo que podemos observar como especie con nuestros sentidos. No deja de asombrarme cómo el ser humano ha sido capaz de ir comprendiendo cada vez un poco más el Universo. Y todo a pesar de que nos encontramos en un diminuto e insignificante punto del vasto Universo, durante una minúscula fracción de tiempo, de esta increíble historia temporal del Cosmos.

Imagen de la serie documental de National Geographic Channel "COSMOS: A Spacetime Odyssey"

PD: Esta entrada participa en la edición LXVI del Carnaval de Física, alojado en el blog http://masscience.com/