El gato de Schrödinger - Schrödinger's cat

El gato de Schrödinger: un gato, un frasco de veneno y una fuente radiactiva se colocan en una caja sellada. Si un monitor interno (por ejemplo, un contador Geiger ) detecta radiactividad (es decir, un solo átomo en descomposición), el matraz se rompe, liberando el veneno, que mata al gato. La interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica implica que después de un tiempo, el gato está al mismo tiempo vivo y muerto. Sin embargo, cuando se observa en el cuadro, se ve que el gato ya sea vivos o muertos, no los dos vivos y muertos. Esto plantea la cuestión de cuándo termina exactamente la superposición cuántica y la realidad se resuelve en una posibilidad u otra.

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 simultáneamente vivo y muerto como resultado de que su destino esté 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 se presenta a menudo en discusiones teóricas sobre las interpretaciones de la mecánica cuántica , particularmente en situaciones que involucran el problema de la medición .

Origen y motivación

Una figura de gato de tamaño natural en el jardín de Huttenstrasse 9, Zurich, donde Erwin Schrödinger vivió entre 1921 y 1926. Dependiendo de las condiciones de luz, el gato parece vivo o muerto.

Schrödinger pretendía que su experimento mental fuera una discusión del artículo de EPR, llamado así por sus autores Einstein , Podolsky y Rosen, en 1935. El artículo de EPR destacó la naturaleza contraintuitiva de las superposiciones cuánticas , en las que un sistema cuántico como un átomo o un fotón puede existen 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 externo 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 transcurso del cual Einstein señaló que el estado de un barril inestable de pólvora , 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, en el que la vida o la muerte del gato dependía del estado de un átomo radiactivo , si se había descompuesto y emitido radiación o no. Según Schrödinger, la interpretación de Copenhague implica que el gato permanece vivo y muerto hasta que se observa el estado. Schrödinger no deseaba promover la idea de gatos muertos y vivos como una posibilidad seria; por el contrario, pretendía que el ejemplo ilustrara lo absurdo de la visión existente de la mecánica cuántica.

Sin embargo, desde la época de Schrödinger , los físicos han propuesto otras interpretaciones de las matemáticas de la mecánica cuántica , algunos de los cuales consideran que la superposición del gato "vivo y muerto" es bastante real. Concebido 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

Schrödinger escribió:

Incluso se pueden preparar casos bastante ridículos. Un gato está encerrado en una cámara de acero, junto con el siguiente dispositivo (que debe asegurarse contra la interferencia directa del gato): en un contador Geiger , hay una pequeña cantidad de sustancia radiactiva, tan pequeña, que tal vez en el curso de la hora en que uno de los átomos decae, pero también, con igual probabilidad, quizás ninguno; si ocurre, el contratubo se descarga y mediante un relé suelta un martillo que hace añicos un pequeño frasco de ácido cianhídrico . Si uno ha dejado todo este sistema solo durante una hora, diría que el gato aún vive si mientras tanto ningún átomo se ha descompuesto . La primera desintegración atómica lo habría envenenado. La función psi de todo el sistema expresaría esto al tener en él al gato vivo y muerto (perdón por la expresión) mezclado o untado en partes iguales.

Es típico de estos casos que una indeterminación originalmente restringida al dominio atómico se transforme en indeterminación macroscópica, que luego puede resolverse mediante observación directa. Eso nos impide aceptar tan ingenuamente como válido un "modelo borroso" para representar la realidad. En sí mismo, no incorporaría nada poco claro o contradictorio. Existe una diferencia entre una fotografía temblorosa o desenfocada y una instantánea de nubes y bancos de niebla.

El famoso experimento mental de Schrödinger plantea la pregunta: "¿ Cuándo un sistema cuántico deja de existir como una superposición de estados y se convierte en uno o en el 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?) Si el gato sobrevive, sólo 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 a partir del experimento mental, puede estar en tal condición. ¿Se requiere que el gato sea un observador, o su existencia en un solo 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 eludir el supuesto de la realidad, si solo uno es honesto. La mayoría de ellos simplemente no ven qué tipo de juego arriesgado están jugando con la realidad: la realidad como algo independiente de lo establecido experimentalmente. Sin embargo, su interpretación es refutada de la manera más elegante por su sistema de átomo radiactivo + amplificador + carga de pólvora + gato en una caja, en la que la función psi del sistema contiene tanto al gato vivo como hecho pedazos. Nadie duda realmente de 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 adelante 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 sobre cuánto duran las superposiciones y cuándo (o si ) colapsan.

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 se puede interpretar en el sentido de que mientras la caja está cerrada, el sistema existe simultáneamente en una superposición de los estados "núcleo descompuesto / gato muerto" y "núcleo no descompuesto / gato vivo", y que solo cuando la caja está abierta y un La observación realizada hace que la función de onda colapse en uno de los dos estados.

Uno de los principales científicos asociados con la interpretación de Copenhague, Niels Bohr , ofreció una interpretación que es independiente de un colapso subjetivo inducido por el observador de la función de onda, o de la medición; en cambio, un proceso "irreversible" o efectivamente irreversible provoca el deterioro 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 un observador consciente abra la caja . El análisis de un experimento real encontró que la medición sola (por ejemplo, mediante un contador Geiger) es suficiente para colapsar una función de onda cuántica antes de que haya una observación consciente de la medición, aunque se cuestiona la validez de su diseño.

Interpretación de muchos mundos e historias consistentes

La paradoja de la mecánica cuántica del "gato de Schrödinger" según la interpretación de los muchos mundos. En esta interpretación, cada evento es un punto de ramificación. El gato está vivo y muerto, sin importar si la caja está abierta, pero los gatos "vivos" y "muertos" están en diferentes ramas del universo que son igualmente reales pero que no pueden interactuar entre sí.

En 1957, Hugh Everett formuló la interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica, que no destaca la observación como un proceso especial. En la interpretación de los mundos múltiples, los estados vivo y muerto del gato persisten después de que se abre la caja, pero son decoherentes 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 vivo y muerto 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 se forman los "estados del observador" correspondientes a que el gato está vivo y muerto; cada estado del observador está enredado o vinculado con el gato de modo que la "observación del estado del gato" y el "estado del gato" se correspondan 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 . Solo el "gato muerto" o el "gato vivo" pueden 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 la máquina cuántica del suicidio . Examina el experimento del gato de Schrödinger desde el punto de vista del gato, y argumenta que al usar este enfoque, se puede distinguir entre la interpretación de Copenhague y los mundos múltiples.

Interpretación de conjunto

La interpretación de conjunto establece que las superposiciones no son más que subensamblajes 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 mecánica cuántica tiene una descripción matemática que le corresponde de alguna manera.

Interpretación relacional

La interpretación relacional no hace una 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 la función de onda , y todos pueden considerarse "observadores". Pero la interpretación relacional permite que diferentes observadores puedan dar diferentes relatos de la misma serie de eventos, dependiendo de la información que tengan sobre el sistema. El gato puede considerarse un observador del aparato; mientras tanto, el experimentador puede considerarse otro observador del sistema en la caja (el gato más el aparato). Antes de que se abra la caja, el gato, por su naturaleza de estar vivo o muerto, tiene información sobre el estado del aparato (el átomo se ha descompuesto o no se ha descompuesto); pero el experimentador no tiene información sobre el estado del contenido de la caja. De esta manera, los dos observadores tienen simultáneamente diferentes relatos 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 que sucedió, 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 emite la fuente 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 está solo en un estado en cualquier momento en particular, independientemente de cuándo el experimentador humano mire en la caja. La interpretación transaccional resuelve esta paradoja cuántica.

Efectos zeno

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 causar retrasos en la elección fatídica o, por el contrario, acelerarla. Tanto el efecto Zeno como el efecto anti-Zeno son reales y se sabe que ocurren en átomos reales. El sistema cuántico que se mide debe estar fuertemente acoplado al entorno circundante (en este caso al aparato, la sala de experimentos ... etc.) para obtener 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 mirar dentro de la caja) casi la medida se convierte en medida. Las cuasi-medidas, como las medidas, provocan los efectos Zeno. Los efectos de Zeno 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 hubiera asentado en un estado definido mucho antes de que se abriera 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 del tiempo. Idealmente, estos modelos podrían probarse creando estados de superposición mesoscópica en el experimento. Por ejemplo, los estados de energía del gato se han propuesto como un detector preciso de los modelos de decoherencia de energía relacionados con la gravedad cuántica.

Aplicaciones y pruebas

El gato de Schrödinger superposición cuántica de estados y efecto del medio ambiente a través de la decoherencia

El experimento descrito es puramente teórico y no se sabe que la máquina propuesta haya sido construida. Sin embargo, se han realizado experimentos exitosos que involucran principios similares, por ejemplo, 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 de los " estados felinos " ha sido elevado por ellos. En muchos casos, el estado es de corta duración, incluso cuando se enfría casi al cero absoluto .

  • Se ha logrado un "estado de gato" con fotones.
  • Se ha atrapado un ión de berilio en un estado superpuesto.
  • Un experimento que involucra un dispositivo de interferencia cuántica superconductor ("SQUID") se ha relacionado con el tema del experimento mental: "El estado de superposición no corresponde a mil millones de electrones que fluyen en una dirección y mil millones de otros fluyen en la otra dirección. Los electrones superconductores se mueven en masa. Todos los electrones superconductores en el SQUID fluyen en ambos sentidos alrededor del bucle a la vez cuando están en el estado de gato de Schrödinger ".
  • Se ha construido un "diapasón" piezoeléctrico , que puede colocarse en una superposición de estados vibrantes y no vibrantes. El resonador comprende aproximadamente 10 billones de átomos.
  • 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, puede ser posible determinar el estado del gato antes de observarlo.

Extensiones

El amigo de Wigner es una variante del experimento con dos observadores humanos: el primero hace una observación sobre si se ve un destello de luz y luego comunica su observación a un segundo observador. El problema aquí es, ¿la función de onda "colapsa" cuando el primer observador mira el experimento, o solo cuando el segundo observador está informado de las observaciones del primer observador?

En otra extensión, físicos prominentes han llegado a sugerir que los astrónomos que observaron la energía oscura en el universo en 1998 pueden haber "reducido su esperanza de vida" a través de un escenario pseudo-felino de Schrödinger, aunque este es un punto de vista controvertido.

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 supuestos aparentemente establecidos sobre la realidad .

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos