El gato de Shroedinger

El gato de Schrödinger (originalmente "gato") es un experimento mental propuesto por uno de los creadores de la mecánica cuántica Erwin Schrödinger en 1935 al discutir el significado físico de la función de onda . Durante el experimento, aparece una superposición de un gato vivo y otro muerto, lo que parece absurdo desde el punto de vista del sentido común [1] .

Artículo de Schrödinger

En un artículo de la revista Naturwissenschaften , publicado en 1935 en respuesta al trabajo de Einstein, Podolsky y Rosen , Schrödinger analiza la interpretación de la mecánica cuántica , en particular el significado físico de la función de onda.

En primer lugar (en el § 4) descarta la posibilidad de que la descripción de una partícula mediante la función de onda refleje únicamente nuestra ignorancia de los valores exactos de las variables dinámicas (que sin embargo realmente existen ). Además (en el § 5), Schrödinger pregunta: entonces, ¿quizás las variables están realmente "manchadas" de acuerdo con la función de onda de la partícula? No, responde. Rodeemos un átomo radiactivo con una pantalla sensible a los electrones. La función de onda del electrón emitido durante la desintegración es una onda esférica . Sin embargo, de hecho, el electrón caerá en un punto específico de la pantalla (aunque cada vez en uno diferente), y no se "manchará" uniformemente sobre él.

También hay ejemplos bastante locos de este tipo, dice Schrödinger:

Pongamos un gato en una caja fuerte de acero junto con una máquina infernal (protegida de un gato). Se coloca un grano de material radiactivo en un contador Geiger , tan pequeño que uno de los átomos puede desintegrarse en una hora, pero ninguno puede desintegrarse con la misma probabilidad. Si el átomo se desintegra, el contador a través del relé activará el martillo, que romperá el matraz con ácido cianhídrico . Dejando este sistema solo durante una hora, diremos que el gato sigue vivo si no se ha desintegrado un solo átomo durante este tiempo. La primera descomposición habría envenenado al gato. La función ψ de todo el sistema expresaría esto por el hecho de que un gato vivo y uno muerto (por así decirlo) se mezclan o untan en proporciones iguales [2] .

Texto original  (alemán)[ mostrarocultar] Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): in einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Mengevon radioaktiver Substanz, so wenig, daß im Lauf einer Stunde vielle dentomen eines, zerfällt ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die ψ -Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, daß in ihr die lebende und die tote Katze (svv) zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind [3] .

Pero obviamente un gato no puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Por lo tanto, concluye Schrödinger, no podemos asumir que la realidad está realmente "difuminada" según la función de onda.

Este experimento atrajo a Einstein , quien se sabe que nunca aceptó la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Le escribió a Schrödinger: “Como antes, ahora estoy convencido de que la representación ondulatoria de la materia no es una representación completa del estado de las cosas, aunque resultó ser útil en la práctica. Tu ejemplo con el gato lo muestra muy bien…” [2]

Explicaciones del experimento

De acuerdo con la mecánica cuántica, si no se realiza ninguna observación sobre el núcleo, su estado se describe mediante una superposición (mezcla) de dos estados: un núcleo descompuesto y un núcleo sin descomponer, por lo tanto, el gato sentado en la caja está vivo y muerto. al mismo tiempo. Si se abre la caja, el experimentador solo puede ver un estado específico: "el núcleo se ha descompuesto, el gato está muerto" o "el núcleo no se ha descompuesto, el gato está vivo".

La pregunta es ésta: ¿cuándo deja de existir un sistema como mezcla de dos estados y elige uno concreto? El propósito del experimento es mostrar que la mecánica cuántica está incompleta sin algunas reglas que especifiquen bajo qué condiciones colapsa la función de onda , y el gato muere o permanece vivo, pero deja de ser una mezcla de ambos.

Como es claro que el gato necesariamente debe estar vivo o muerto (no existe un estado que combine la vida y la muerte), lo mismo ocurrirá con el núcleo atómico. Necesariamente debe estar descompuesto o no descompuesto.

En grandes sistemas complejos que consisten en muchos miles de millones de átomos, la decoherencia ocurre casi instantáneamente y, por esta razón, un gato no puede estar vivo y muerto durante un período de tiempo medible. El proceso de decoherencia es un componente esencial del experimento.

Interpretación de Copenhague

En la interpretación de Copenhague , el sistema deja de ser una mezcla de estados y elige uno de ellos en el momento en que se produce una observación. El experimento con el gato muestra que en esta interpretación la naturaleza de esta misma observación -la medida-  no está suficientemente definida. Algunos creen que la experiencia sugiere que mientras la caja está cerrada, el sistema está en ambos estados simultáneamente: en la superposición de los estados "núcleo descompuesto, gato muerto" y "núcleo no descompuesto, gato vivo", y cuando la caja está abierta , solo entonces la función de onda colapsa en una de las opciones. Otros suponen que la "observación" ocurre cuando una partícula del núcleo golpea el detector; sin embargo (y este es el punto clave del experimento mental) no hay una regla clara en la interpretación de Copenhague que diga cuándo sucede esto y, por lo tanto, esta interpretación está incompleta hasta que se introduce dicha regla, o no se dice cómo. puede ser introducido. La regla exacta es esta: la aleatoriedad aparece en el punto donde se usa por primera vez la aproximación clásica.

Por lo tanto, podemos confiar en el siguiente enfoque: en los sistemas macroscópicos, no observamos fenómenos cuánticos (excepto los fenómenos de superfluidez y superconductividad ); por tanto, si superponemos una función de onda macroscópica en un estado cuántico, debemos concluir por experiencia que la superposición se derrumba. Y aunque no está del todo claro qué significa que algo sea "macroscópico" en general, se sabe a ciencia cierta sobre un gato que es un objeto macroscópico. Así, la interpretación de Copenhague no considera que antes de la apertura de la caja el gato se encuentre en un estado de mezcla entre los vivos y los muertos.

La interpretación de muchos mundos de Everett y las historias colaborativas

En la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica, que no considera que el proceso de medición sea nada especial, ambos estados del gato existen, pero se descoheren . Cuando el observador abre la caja, se enreda con el gato, y esto da como resultado dos estados de observador correspondientes a un gato vivo y otro muerto, que no interactúan entre sí. El mismo mecanismo de decoherencia cuántica también es importante para las historias compartidas . En esta interpretación, solo puede haber un "gato muerto" o un "gato vivo" en una historia compartida.

En otras palabras, cuando se abre la caja, el universo se divide en dos universos diferentes, en uno de los cuales el observador mira la caja con un gato muerto y en el otro, un gato vivo.

El cosmólogo Max Tegmark ha propuesto una variación del experimento del gato de Schrödinger llamada " máquina suicida cuántica ". Considera el experimento del gato desde el punto de vista del gato mismo y argumenta que de esta manera uno puede distinguir experimentalmente entre la interpretación de Copenhague y la de muchos mundos. Otra variación del experimento es el experimento con el amigo de Wigner .

El físico Stephen Hawking exclamó una vez: "¡Cuando escucho sobre el gato de Schrödinger, mi mano busca un arma!" Parafraseó un conocido dicho de uno de los personajes de Schlageter de Hans Jost : "Wenn ich 'Kultur' höre, entsichere ich meinen Browning!" ("Cuando escucho la palabra 'cultura', ¡le quito el seguro a mi Browning !").

De hecho, Hawking, como muchos otros físicos, era de la opinión de que la "Escuela de Copenhague" de la interpretación de la mecánica cuántica enfatiza irrazonablemente el papel del observador. Aún no se ha logrado la unidad final entre los físicos sobre este tema.

La paralelización de los mundos en cada momento del tiempo corresponde a un auténtico autómata no determinista, en contraposición al probabilístico, cuando se selecciona en cada paso uno de los caminos posibles en función de su probabilidad.

Paradoja de Wigner

Esta es una versión complicada del experimento de Schrödinger. Eugene Wigner introdujo la categoría de "amigos". Después de completar el experimento, el experimentador abre la caja y ve un gato vivo. El vector de estado del gato en el momento de abrir la caja pasa al estado "el núcleo no se ha desintegrado, el gato está vivo". Así, en el laboratorio, el gato fue reconocido como vivo. Fuera del laboratorio hay un amigo . El amigo aún no sabe si el gato está vivo o muerto. Un amigo reconoce que el gato está vivo solo cuando el experimentador le informa del resultado del experimento. Pero todos los demás amigos aún no han reconocido al gato como vivo y lo reconocerán solo cuando se les informe el resultado del experimento. Por lo tanto, un gato puede considerarse completamente vivo (o completamente muerto) solo cuando todas las personas en el universo conocen el resultado del experimento. Hasta este punto, en la escala del Gran Universo, el gato, según Wigner, permanece vivo y muerto al mismo tiempo [4] .

Sin embargo, la mayoría de los físicos creen que los objetos inanimados pueden sacar los sistemas cuánticos de la superposición mediante la decoherencia. Podemos decir que la función se derrumba objetivamente: independientemente de que haya observadores y sus "amigos" en absoluto. [5]

Aplicación práctica

Lo anterior se aplica en la práctica: en computación cuántica y en criptografía cuántica . Un cable de fibra óptica envía una señal luminosa que se encuentra en una superposición de dos estados. Si los atacantes se conectan al cable en algún lugar en el medio y hacen una señal allí para espiar la información transmitida, esto colapsará la función de onda (desde el punto de vista de la interpretación de Copenhague, se hará una observación), y la luz entrará en uno de los estados. Habiendo realizado pruebas estadísticas de luz en el extremo receptor del cable, se podrá saber si la luz se encuentra en una superposición de estados o si ya ha sido observada y transmitida a otro punto. Esto hace posible crear medios de comunicación que excluyen la intercepción de señales imperceptibles y las escuchas.

El experimento (que en principio se puede realizar, aunque todavía no se han creado sistemas de trabajo de criptografía cuántica capaces de transmitir grandes cantidades de información) también demuestra que la "observación" en la interpretación de Copenhague no tiene nada que ver con la mente del observador, ya que en este caso el cambio en las estadísticas al final del cable conduce a una rama del cable completamente inanimada.

En la computación cuántica , el estado del gato de Schrödinger es un estado entrelazado especial de qubits , en el que todos están en la misma superposición de ceros o unos, es decir .

Véase también

Notas

  1. ↑ Belinsky A. V., Chirkin A. S. QUANTUM PARADOXES Copia de archivo fechada el 16 de mayo de 2021 en Wayback Machine // Great Russian Encyclopedia . Volumen 13. Moscú, 2009, página 469.
  2. ↑ 1 2 Schrödinger E. Obras seleccionadas sobre mecánica cuántica. - M. : Nauka, 1976. - S. 335.
  3. ↑ Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik  (alemán)  // Naturwissenschaften. - 1935. - Bd. 23 , H. 48 . - S. 807-812 . -doi : 10.1007/ BF01491891 .
  4. ↑ EPWigner. Observaciones sobre la cuestión mente-cuerpo, en LG Good, editor. El científico especula, p. 284-302, Londres, Heinemann, 1961.
  5. ↑ Paradoja de Wigner: ¿qué necesitas saber sobre la dualidad de la realidad? . cronicas-de-la-tierra.ru . Consultado el 5 de diciembre de 2021. Archivado desde el original el 5 de diciembre de 2021.