Ciencia

Sacando al gato de Schrödinger de su caja: ¿qué es eso de “cuántico”?

Por 19/06/15 - 13:21

Cuentan que Schrödinger, ante la inquietud de la extraña naturaleza cuántica que él mismo ayudó a describir prefirió pasarse a la biología. Pero no sin dejar, antes, una de las metáforas más célebres de la historia para la posteridad.

Sacando al gato de Schrödinger de su caja: ¿qué es eso de “cuántico”?
Fuente: Shutterstock

A estas alturas, el pobre gato de Schrödinger debe estar más que harto de salir en cualquier conversación con tintes intelectuales. El problema es que mucha gente no termina de entender qué significa este experimento. O para qué sirve. Sin embargo, los físicos siguen jugando con la realidad íntima de nuestro universo, descubriendo cada vez más detalles de lo extraordinario que resulta. Vamos a empezar por el principio del camino. Antes comenzar a andar, habéis de saber que nos introducimos en un terreno increíblemente difícil, lleno de hipótesis y sujeto a muchas incógnitas. Así que nosotros vamos a usar el camino fácil, para que a todos les pueda resultar un paseo.

  1. ¿Qué demonios es el gato de Schrödinger?
  2. No me lo creo, no tiene sentido
  3. La ecuación que lo define todo
  4. Cuando la realidad y la teoría se tocan

¿Qué demonios es el gato de Schrödinger?

El dichoso gato de Schrödinger no es ni más ni menos que un ejemplo. Una metáfora que trata de explicar un hecho natural que no podemos comprender de manera lógica. Para nosotros, que vivimos en un mundo en el que el sol nos calienta todos los días, los objetos permanecen en su sitio y las cosas nos golpean si chocamos con ellas, es muy difícil comprender (o incluso aceptar) este hecho. Vayamos por partes. Si un día nos convirtiésemos en físicos (y estuviésemos un poco locos) y nos diese por diseñar un experimento para demostrar la naturaleza "cuántica" de las cosas, probablemente diseñaríamos un interruptor especial. Este interruptor es activado por una partícula que se comporta de manera "cuántica", lo que en este caso tiene el 50% de posibilidades de desintegrarse. Si se desintegra, el interruptor se activa y enciende un maquiavélico mecanismo que hace estallar una botella de veneno. Todo esto lo metemos en una caja opaca, junto con un gato. El pobre animal, según las leyes cuánticas, de las que hablaremos más adelante, tiene el 50% de posibilidades de estar vivo o estar muerto, ya que está sujeto a la probabilidad de que la partícula se desintegre, ¿verdad?.

gato de schrödinger

Sin embargo, las leyes cuánticas explican que en realidad, el átomo está en estado intacto y desintegrado al mismo tiempo (a esto se le llama superposición cuántica). Solo al mirar la partícula podremos saber en qué estado se encuentra en ese momento. Pero para eso está el gato, que hace de referencia. Por lo tanto, hasta que miremos, el gato está vivo y muerto a la vez. El ejemplo podría haber sido con tartas de manzana o con pingüinos y batidoras, y daría lo mismo. Lo importante no es el gato, es la partícula. Lo que ocurre es una acción que se denomina colapso. Es algo así como que al mirar el estado de la partícula (a través del gato), fastidiamos la propiedad cuántica que tiene y solo podrá materializarse en un estado (vivo o muerto). Pero antes de mirarlo, sabemos que está vivo y muerto a la vez. ¿Y cómo puede ser esto? Es algo tan contrario a nuestra intuición que es imposible de comprender. Tan solo podemos aceptarlo. Pero, ¿por qué deberíamos hacer tal cosa?

No me lo creo, no tiene sentido

Lo admito, el ejemplo tiene truco. Da igual el sistema cuántico que exista detrás del mecanismo que matará al pobre gato. El problema es que el propio sistema y el mismo gato no se comportan como un algo cuántico. El gato, casi con total probabilidad, estará muerto cuando miremos (es lo que pasa cuando llevas tanto tiempo en una caja sin que nadie se atreva a mirar qué hay dentro). Al fin y al cabo, es solo una metáfora. Pero explica lo que ocurre con la partícula, la cuál sí que está y no está al mismo tiempo, sin lugar a dudas. Cuando nos metemos en el mundo atómico, las propiedades de las cosas se rigen por efectos que no son nada sencillos. Aquí es donde entra la probabilidad. Normalmente pensamos en los átomos como masas de bolas de materia unidas. Pero en realidad no son así. Por ejemplo, el electrón. No es una bola "con forma de rayos" ni un puntito En las partículas infinitamente pequeñas las cosas funcionan solo por probabilidad y estadísticaflotante. En realidad, el electrón en sí existe en una zona (que se llama orbital) donde tenemos cierta probabilidad de encontrarlo.

Es decir, existe la probabilidad de encontrar uno de tus electrones dónde estoy yo. Pero es tan ínfima que, sinceramente, es imposible. Sin embargo, existe una probabilidad del 99,99999 periodo, de encontrarlo en una zona en particular (el orbital). Dentro de esa zona, que tiene una forma geométrica característica, podremos encontrar al electrón en un punto concreto con cierta probabilidad, y que nunca se está quieto. Ahora imagínate los infinitos electrones que existen en el universo funcionando así. Y ahora, date cuenta que solo te estoy hablando de un electrón. He dejado aparte todo lo demás (y es mucho). Con todo esto, lo que quiero decir es que en el mundo cuántico no es tan fácil como buscar una pelota de tenis en una caja. Todo funciona por probabilidad y estadística. Al igual que el maldito interruptor y el dichoso gato. Por supuesto, esto parece una locura. Pero tenemos pruebas que nos han demostrado que esto es así.

La ecuación que lo define todo

Más allá del gato de Schrödinger, lo que hizo este físico fue formular una de las ecuaciones más importantes de nuestra historia: la ecuación de Schrödinger. Ésta fórmula básica explica muchos de los fenómenos que ocurren. Es algo parecido a la segunda ley de Newton para la mecánica clásica, pero hablando de mecánica cuántica. Para que nos entendamos, la ecuación se Schrödinger contiene todas las propiedades e información de cualquier partícula. Esta ecuación es una función de onda capaz de describir el estado de una partícula: energía, posición... Probablemente no exista una manera más perfecta de definir lo que es una cosa. Por desgracia, no todos los valores pueden medirse simultáneamente.

No podemos saber al mismo tiempo con qué fuerza y velocidad viaja una partícula y dónde está exáctamenteLanza una pelota de tenis contra alguien que te cae realmente mal. Ahora detén el tiempo. La pelota estaba llegando contra la cara sorprendida de tu enemigo. Viéndola parada en el aire puedes saber dónde está exactamente. También puedes intuir donde golpeará si compruebas la dirección desde el punto de dónde la lanzaste hasta dónde está ahora. Pero, ¿con qué fuerza iba? ¿Con qué velocidad? No puedes saberlo, porque el tiempo está parado. Volvamos a ponerlo en marcha. Ahora, golpea rápidamente en la pared (qué mala puntería) y rebota a gran velocidad. Podemos medir con qué fuerza está desplazándose, pero no donde está, porque en el momento en el que lo miremos, ya estará en otro sitio.

Matt Taylor
Conferencia de Solvay. En ella están Heisenberg, Schrödinger, Born y Bohr entre otros.

Este pequeño ejemplo es bastante simplista y no explica lo que ocurre en realidad a nivel cuántico. Pero puede valer para comprender una cosa que describió Heisenberg. Este otro físico enunció el principio que lleva su nombre (y que puede que te suene por Breaking Bad). En él se describe justo esto de lo que hablábamos: no podemos conocer a la vez la posición y "la fuerza" de una partícula que se mueve a nivel cuántico. Y es que la propia medición altera el sistema (como cuando paramos el tiempo). Esto es mucho más complejo, pero la noción básica es esta. Ahora volvamos con el gato de Schrödinger. Bohr, el culpable de que pienses que los átomos son bolas (y un increíble físico), junto a Heisenber y Born describieron la llamada Interpretación de Copenhage, la cual ayuda a comprender lo que ocurre a nivel subatómico y cuántico pero con un lenguaje ordinario. De esta reconciliación de dos naturalezas tan distintas surge la idea de que el mundo de la mecánica cuántica es "interpretable" pero no comprensible a nivel cotidiano. Y no es la única interpretación, pero es la más ortodoxa hasta el momento.

Cuando la realidad y la teoría se tocan

Decíamos antes que esto no es fruto de una mente fantasiosa. Que hay pruebas que confirman estas hipótesis. Por ejemplo, de toda esta información se obtiene una conclusión: la luz, como los electrones, tendrá una naturaleza de onda, que explicábamos antes. Y también habrá de tener características de partícula. Pero nadie puede coger la luz con las manos, ¿verdad? El experimento de Young, o de la doble rendija, muestra como la luz se comporta como ondas en una balsa de agua, como partículas unidas, al atravesar varias rendijas en varias paredes, lo que se llama "interferencia". Al final, lo que nos queda es una imagen de luz que forma rendijas, como resultado. Es un experimento sencillísimo y clarificador. Otros, mucho más complejos, se han llevado a cabo a lo largo de estas décadas, comprobando una y otra vez la inquietante naturaleza cuántica. Sabemos que esto ocurre a nivel pequeñísimo, de acuerdo. ¿Pero en qué nos afecta? Un reciente estudio mostraba que tal vez más de lo que nos atrevemos a admitir.

gato de schrödinger

Tomando moléculas de 430 átomos, que miden unos 6 nanometros (más que algunas proteínas de nuestro cuerpo) sufren el mismo efecto de interferencia ¡al pasarlas por una rendija!. Es decir, actúan de manera "cuántica", pero son moléculas que podemos aislar y concentrar. ¿Hasta dónde llegará esta superposición cuántica? Hay quién cree que sus efectos podrían alcanzar a otras partículas tales como virus. No obstante, para nosotros esta naturaleza estará siempre vetada. Otro reciente estudio mostraba una realidad aún más difícil de entender.

Al igual que medir algo "cuántico" provoca que su estado se colapse, es decir, que veamos al gato vivo o muerto (y no vivo y muerto al mismo tiempo), esto mismo ocurre en la realidad cuando las partículas interactúan con su entorno. A esto lo llamamos "decoherencia". Pues bien, el estudio demuestra que la gravedad es el gran asesino del gato de Schrödinger. Y es que bajo la gravedad, las partículas tienden a escoger "un estado", en vez de su naturaleza dual (sufriendo decoherencia). Así que aunque pudiésemos observarlas sin estropear el sistema (como con la pelota de tenis), la gravedad se encargaría de que fuese imposible. La naturaleza cuántica (y relativista) es increíblemente compleja y muy contra-intuitiva. Pero está ahí, manifestándose cada día. Para desgracia para el pobre gato de Schrödinger.

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