En mecánica cuántica , el gato de Schrödinger es un experimento mental sobre la superposición cuántica . En el experimento mental, un gato hipotético puede considerarse simultáneamente vivo y muerto, mientras no se le 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 visto de esta manera se describe como una paradoja . Este experimento mental fue ideado por el físico Erwin Schrödinger en 1935 [1] en una discusión con Albert Einstein [2] para ilustrar lo que Schrödinger consideraba los problemas de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.
En la formulación original de Schrödinger, se colocan un gato, un frasco de veneno y una fuente radiactiva en una caja sellada. Si un monitor de radiación interno (por ejemplo, un contador Geiger ) detecta radioactividad (es decir, un solo átomo en descomposición), el matraz se rompe, liberando el veneno que mata al gato. La interpretación de Copenhague implica que, después de un tiempo, el gato está vivo y muerto al mismo tiempo . Sin embargo, cuando uno mira dentro de la caja, ve al gato vivo o muerto, no vivo y muerto al mismo tiempo. Esto plantea la cuestión de cuándo termina exactamente la superposición cuántica y la realidad se resuelve en una posibilidad u otra.
Aunque originalmente fue una crítica a la interpretación de Copenhague, el experimento mental aparentemente paradójico de Schrödinger se convirtió en parte de los fundamentos de la mecánica cuántica. El escenario aparece a menudo en discusiones teóricas sobre las interpretaciones de la mecánica cuántica , particularmente en situaciones que involucran el problema de medición . Como resultado, el gato de Schrödinger ha tenido un atractivo duradero en la cultura popular . El experimento no pretende realizarse en un gato, sino más bien ser una ilustración fácilmente comprensible del comportamiento de los átomos. Se han llevado a cabo experimentos a escala atómica que muestran que pueden existir objetos muy pequeños como superposiciones; pero superponer un objeto del tamaño de un gato plantearía considerables dificultades técnicas. [ cita necesaria ]
Fundamentalmente, el experimento del gato de Schrödinger pregunta cuánto duran las superposiciones cuánticas y cuándo (o si ) colapsan. Se han propuesto diferentes interpretaciones de las matemáticas de la mecánica cuántica que dan diferentes explicaciones a este proceso, pero el gato de Schrödinger sigue siendo un problema sin resolver en física .
Schrödinger pretendió que su experimento mental fuera una discusión del artículo del EPR , que lleva el nombre de sus autores Einstein , Podolsky y Rosen , de 1935. [3] [4] El artículo del EPR destacó la naturaleza contraintuitiva de las superposiciones cuánticas , en las que un sistema cuántico para dos partículas no se separan [5] : 150 incluso cuando las partículas se detectan lejos de su último punto de contacto. El artículo de EPR concluye afirmando que esta falta de separabilidad significaba que la mecánica cuántica como teoría de la realidad estaba incompleta.
Schrödinger y Einstein intercambiaron cartas sobre el artículo EPR de Einstein , en el que Einstein señaló que el estado de un barril de pólvora inestable contendrá, después de un tiempo, una superposición de estados explotados y no explotados. [4]
Para ilustrarlo mejor, Schrödinger describió cómo se podría, en principio, crear una superposición en un sistema a gran escala haciéndolo dependiente de una partícula cuántica que estuviera en una superposición. Propuso un escenario con un gato en una cámara de acero cerrada, donde la vida o la muerte del gato dependía del estado de un átomo radiactivo , ya sea que se hubiera descompuesto y emitido radiación o no. Según Schrödinger, la interpretación de Copenhague implica que el gato permanece vivo y muerto hasta que se haya observado su 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, [1] y por tanto estaba empleando la reductio ad absurdum .
Desde la época de Schrödinger, los físicos han propuesto diversas interpretaciones de las matemáticas de la mecánica cuántica , algunos de los cuales consideran la superposición del gato "vivo y muerto" como bastante real, otros no. [6] [7] Diseñado 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. [8]
Schrödinger escribió: [1] [9]
Se pueden inventar incluso casos completamente burlescos. Se mete a un gato en una cámara de acero junto con el siguiente dispositivo infernal (que debe protegerse contra interferencias directas del gato): en un contador Geiger hay una pequeña cantidad de sustancia radiactiva, tan pequeña que en el transcurso de una hora uno de los átomos tal vez decaiga, pero también, con igual probabilidad, que ninguno de ellos lo haga; si esto sucede, el tubo contador se descargará y a través de un relé soltará un martillo que romperá un pequeño frasco de ácido cianhídrico . Si uno deja todo este sistema solo durante una hora, se diría que el gato sigue vivo si entretanto ningún átomo se ha descompuesto . Incluso una sola desintegración atómica lo habría envenenado. La función psi de todo el sistema expresaría esto teniendo en él al gato vivo y muerto (perdón por la expresión) mezclados o repartidos en partes iguales.
Es típico de estos casos que una indeterminación originalmente restringida al dominio atómico se convierta en una indeterminación [macroscópica] sensualmente observable, que luego puede resolverse mediante observación directa. Esto nos impide aceptar tan ingenuamente un "modelo confuso" como representativo de la realidad. Per se, no implicaría nada confuso o contradictorio. Existe una diferencia entre una fotografía temblorosa o desenfocada y una instantánea de nubes y bancos de niebla.
Schrödinger desarrolló su famoso experimento mental en correspondencia con Einstein. Sugirió este "caso bastante ridículo" para ilustrar su conclusión de que la función de onda no puede representar la realidad. [5] : 153 La descripción de la función de onda del sistema completo del gato implica que la realidad del gato mezcla al gato vivo y al gato muerto. [5] : 154 Einstein quedó impresionado por la capacidad del experimento mental para resaltar estas cuestiones. En una carta a Schrödinger fechada en 1950, escribió: [5] : 157
Usted es el único físico contemporáneo, además de Laue , que ve que no se puede eludir la suposición de la realidad, si sólo se es honesto. La mayoría de ellos simplemente no ven qué clase de juego arriesgado están jugando con la realidad: la realidad como algo independiente de lo que se ha establecido experimentalmente. Su interpretación, sin embargo, es refutada de manera más elegante por su sistema de átomo radiactivo + amplificador + carga de pólvora + gato en una caja, en el que la función psi del sistema contiene al gato vivo y hecho pedazos. Realmente nadie duda de que la presencia o ausencia del gato es algo independiente del acto de observación. [10]
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 cianhídrico 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 discusión actual. [4]
En términos modernos, el hipotético experimento del gato de Schrodinger describe el problema de la medición : la teoría cuántica describe el sistema del gato como una combinación de dos resultados posibles, pero sólo se observa uno. [11] : 57 [12] : 1269 El experimento plantea la pregunta: "¿ cuándo deja un sistema cuántico de existir como superposición de estados y se convierte en uno o en otro?" (Más técnicamente, ¿cuándo el estado cuántico real deja 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?) La mecánica cuántica microscópica estándar describe múltiples resultados posibles de experimentos. pero sólo se observa un resultado. El experimento mental ilustra esta aparente paradoja. Nuestra intuición dice que el gato no puede estar en más de un estado simultáneamente; sin embargo, la descripción mecánicocuántica del experimento mental requiere tal condición.
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 sobre cuánto duran las superposiciones y cuándo (o si ) colapsan.
Una interpretación común de la mecánica cuántica es la interpretación de Copenhague. [13] En la interpretación de Copenhague, un sistema deja de ser una superposición de estados y se convierte en uno o en otro cuando se produce una observación. Este experimento mental hace evidente el hecho de que la naturaleza de la medición , u observación, no está bien definida en esta interpretación, que simplemente no proporciona ninguna explicación para la naturaleza del gato mientras la caja está cerrada. La descripción de la función de onda del sistema consiste en una superposición de los estados "núcleo descompuesto/gato muerto" y "núcleo no descompuesto/gato vivo". Sólo cuando se abre la caja y se observa podemos hacer una declaración sobre el gato. [5] : 157
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 observada por otro dispositivo, y así sucesivamente. En las predicciones de la teoría cuántica no hay diferencia en dónde colapsa la superposición a lo largo de esta cadena de efectos causales. [14] Esta cadena potencialmente infinita podría romperse si el último dispositivo es reemplazado por un observador consciente. Esto resolvió el problema porque se afirmó que la conciencia de un individuo no puede ser múltiple. [15] Neumann afirmó que es necesario un observador consciente para un colapso 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 . [dieciséis]
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 convierte en parte de la función de onda una vez que Wigner se entera del resultado por medio de su amigo. Esto podría extenderse indefinidamente. [dieciséis]
Una solución a la paradoja es que la activación del contador Geiger cuenta como una medida del estado de la sustancia radiactiva. Como ya se ha realizado una medición que determina el estado del gato, la observación posterior por parte de un humano registra sólo lo que ya ha ocurrido. [17] El análisis de un experimento real realizado por Roger Carpenter y AJ Anderson encontró que la medición por sí sola (por ejemplo, mediante un contador Geiger) es suficiente para colapsar una función de onda cuántica antes de que cualquier ser humano conozca el resultado. [18] 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 humano, el que configuró el aparato, se le informa el color y se vuelve consciente del resultado, y se abre la caja para comprobar si el resultado coincide. [14] Sin embargo, se discute si la simple observación del color cuenta como una observación consciente del resultado. [19]
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 o de la medición inducido por el observador; en cambio, un proceso "irreversible" o efectivamente irreversible provoca la decadencia de la coherencia cuántica, lo que imparte el comportamiento clásico de "observación" o "medición". [20] [21] [22] [23] Por lo tanto, el gato de Schrödinger estaría vivo o muerto mucho antes de que se observe la caja . [24]
En 1957, Hugh Everett formuló la interpretación de la mecánica cuántica de muchos mundos, que no distingue 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 como los estados vivo y muerto son incoherentes, no hay comunicación ni interacción entre ellos.
Al abrir la caja, el observador se enreda con el gato, por lo que se forman "estados de observador" correspondientes a que el gato está vivo y muerto; cada estado de observador está entrelazado o vinculado con el gato, de modo que la observación del estado del gato y el estado del gato se corresponden entre sí. La decoherencia cuántica asegura que los diferentes resultados no interactúen entre sí. Generalmente se considera que la decoherencia evita la observación simultánea de múltiples estados. [25] [26]
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 sostiene que al utilizar este enfoque, uno puede ser capaz de distinguir entre la interpretación de Copenhague y los mundos múltiples.
La interpretación de conjunto establece que las superposiciones no son más que subconjuntos de un conjunto estadístico más amplio. El vector de estado no se aplicaría a experimentos con gatos individuales, sino sólo 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 no un problema.
Esta interpretación sirve para descartar la idea de que un único sistema físico en mecánica cuántica tenga una descripción matemática que le corresponda de alguna manera. [27]
La interpretación relacional no hace ninguna distinción fundamental entre el experimentador humano, el gato y el aparato o entre sistemas animados e inanimados; todos son sistemas cuánticos regidos por las mismas reglas de evolución de la función de onda , y todos pueden considerarse "observadores". Pero la interpretación relacional permite que diferentes observadores puedan dar relatos diferentes de una misma serie de eventos, dependiendo de la información que tengan sobre el sistema. [28] El gato puede considerarse un observador del aparato; mientras tanto, el experimentador puede considerarse un observador más del sistema de la caja (el gato más el aparato). Antes de abrir la caja, el gato, por estar vivo o muerto, tiene información sobre el estado del aparato (el átomo se ha desintegrado o no); 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. No es hasta que se abre la caja, y ambos observadores tienen la misma información sobre lo que sucedió, que ambos estados del sistema parecen "colapsar" en el mismo resultado definido: un gato que está vivo o muerto.
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 consideran 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 sólo está en un estado en un momento determinado, independientemente de cuándo el experimentador humano mire la caja. La interpretación transaccional resuelve esta paradoja cuántica. [29]
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 hubiera asentado en un estado definido mucho antes de que se abriera la caja. Esto podría expresarse en términos generales 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 el proceso de evolución del tiempo destruya las superposiciones. [30] Idealmente, estas teorías podrían probarse creando estados de superposición mesoscópica en el experimento. Por ejemplo, los estados de los gatos energéticos se han propuesto como un detector preciso de los modelos de decoherencia energética relacionados con la gravedad cuántica. [31]
El experimento descrito es puramente teórico y no se sabe que la máquina propuesta haya sido construida. Sin embargo, se han realizado con éxito experimentos que utilizan principios similares, por ejemplo, superposiciones de objetos relativamente grandes (según los estándares de la física cuántica). [32] [ se necesita una mejor fuente ] Estos experimentos no muestran que se pueda superponer un objeto del tamaño de un gato, pero han empujado hacia arriba el límite superior conocido de los " estados de gato ". En muchos casos, el estado es de corta duración, incluso cuando se enfría hasta cerca del cero absoluto .
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, siendo todos 0 y todos 1; p.ej,
Según al menos una propuesta, sería posible determinar el estado del gato antes de observarlo. [39] [40]
En agosto de 2020, los físicos presentaron estudios que involucran 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 las suposiciones aparentemente establecidas sobre la realidad . [41] [42] [43]
Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. 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 Menge radioaktiver Substanz, so wenig, daß im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen 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. Derste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck Bringen, daß in ihr die lebende und die tote Katze (svv) [sit venia verbo] zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind. Das Typische an solchen Fällen ist, daß eine ursprünglich auf den Atombereich beschränkte Unbestimmtheit sich in grobsinnliche Unbestimmtheit umsetzt, die sich dann durch direkte Beobachtung entscheiden läßt. Das hindert uns, in so naiver Weise ein „verwaschenes Modell" als Abbild der Wirklichkeit gelten zu lassen. An sich enthielte es nichts Unklares oder Widerspruchsvolles. Es ist ein Unterschied zwischen einer verwackelten oder unscharf eingestellten Photographie und einer Aufnahme von Wolken und Nebelsch vadear.
Muchos han destacado el papel de la irreversibilidad en la teoría de la medición. Sólo así se podrá obtener un registro permanente. El hecho de que las posiciones separadas de los punteros deben ser de naturaleza asintótica normalmente asociada con la irreversibilidad se ha utilizado en la teoría de la medición de Daneri, Loinger y Prosperi (1962). Rosenfeld (1966) lo aceptó como una representación formal de las ideas de Bohr.
