En este post aprovecho de nuevo el tema del anterior para
seguir comentando otro de los experimentos más míticos en la historia de la
física cuántica. Esta vez el gato de Schrödinger. Este experimento es un tanto
diferente del experimento de la doble ranura tratado anteriormente. Este último
es el típico experimento de laboratorio, con equipo y mediciones. El de
Schrödinger es lo que se conoce como un experimento de pensamiento. Estos son
utilizados a menudo por los científicos más teóricos como Einstein, que le dio
una gran popularidad
al concepto. De hecho los grandes avances hechos por Einstein en su momento se deben a algunos de sus míticos experimentos de pensamiento. De joven por ejemplo, le gustaba imaginarse como se vería el mundo si uno pudiera montar sobre un rayo de luz, lo que le llevó a apasionarse por el estudio de la misma. Entes de descubrir la teoría de la relatividad a Einstein le atormentaba otra duda del mismo tipo ¿Qué sucedería si alguien cayera dentro de un ascensor desde gran altura de? ¿Experimentaría la fuerza de la gravedad?
al concepto. De hecho los grandes avances hechos por Einstein en su momento se deben a algunos de sus míticos experimentos de pensamiento. De joven por ejemplo, le gustaba imaginarse como se vería el mundo si uno pudiera montar sobre un rayo de luz, lo que le llevó a apasionarse por el estudio de la misma. Entes de descubrir la teoría de la relatividad a Einstein le atormentaba otra duda del mismo tipo ¿Qué sucedería si alguien cayera dentro de un ascensor desde gran altura de? ¿Experimentaría la fuerza de la gravedad?
El caso de Schrödinger es un tanto distinto. Schrödinger no
llevaba toda su vida imaginándose experimentos con gatos en cajas. Nacido en
Austria, Erwin Schrödinger es uno de los físicos más grandes de la historia si
bien su vida fue bastante poco convencional.
En los años treinta regentaba una posición de catedrático en Berlín que
abandonó por su oposición a los nazis lo que le llevó a pasarse varios años intentando
conseguir un puesto en alguna universidad extranjera sobre todo en Reino Unido
y EEUU. Pero el hecho de que viviera en su casa junto a su mujer y a su amante
chocaba demasiado con el puritanismo de ambos países en la época. Por tanto,
Schrödinger tuvo que volver a Austria y dejarse abusar por los nazis, hasta que
finalmente huyo a Italia en el 1940. Afortunadamente en ese mismo año recibió
una invitación para trabajar en el nuevo Instituto de Estudios Avanzados de
Dublín, donde trabajó hasta su jubilación. Schrödinger que también estaba
interesado en la filosofía y que es muy conocido por su gran trabajo en
biología “El secreto de la vida”. Pero a pesar de su peculiar vida y carrera,
en materia de física Schrödinger era bastante conservador en un momento
revolucionario para la física. A principios del siglo XX, una serie de
descubrimientos a mano de grandes de la ciencia como Planck, Einstein o
Rutherford habían confirmado por fin la existencia del átomo y de las
partículas subatómicas. Algunos años más
tarde una nueva generación de físicos llevan las teorías del momento hasta sus
últimas consecuencias hasta que a principio de los 30s Heisenberg formula el
principio de incertidumbre. Según este es imposible conocer los detalles sobre
el desplazamiento de una partícula y su posición al mismo tiempo. Al ganar
precisión al medir una, se pierde necesariamente la otra. De hecho es imposible
conocer la posición exacta de una partícula, por ejemplo la situación de un
electrón en su órbita. Solo se puede hablar una mayor o menos posibilidad de
que el electrón se encuentre en unas coordenadas determinadas.
El descubrimiento de esta cualidad probabilística de las
partículas subatómicas fue un auténtico shock para la vieja guardia de la
física. Hay que entender, que hasta ese momento los físicos creían que el
universo seguía unas estrictas leyes mecánicas de tal forma que, si se pudieran
conocer las posiciones, velocidades, aceleraciones y trayectorias de cada una
de las partículas del universo, podría conocer el pasado y el futuro, al menos
teóricamente. Todos los físicos eran conscientes de la imposibilidad práctica
de realizar estos cálculos, pero teoréticamente se podrían llevar a cabo. La
naturaleza probabilística de la recién descubierta física cuántica cambiaba
esta concepción del universo para siempre, lo que fue imposible de aceptar para
la mayor parte de los físicos que habían cursado sus estudios universitarios
aún en el XIX. Este es el momento en que un Einstein incrédulo acuña su mítica frase “Dios no juega a los
dados”.
Más inaceptable aún era la segunda vuelta de tuerca de estos
nuevos descubrimientos. No solo la realidad se había convertido algo probabilístico,
además es imposible medirla con
precisión porque, según la interpretación de Copenhague, el observador afecta la observacón cambiando la realidad
para siempre. Y no solo porque las mediciones se hacen normalmente con
radiación que afecta el comportamiento de las partículas. La idea va más allá. Una
partícula puede estar en uno o más estados a la vez, o en varios sitios a la
vez, hasta que alguien la observa. En ese momento la partícula asume un solo
estado o una sola posición. Todas las otras posibilidades se han colapsado.
Schrödinger era uno de estos científicos que renegaban de
las implicaciones de la revolución cuántica. Algo bastante curioso ya que su
mayor logro profesional es una ecuación que lleva su nombre y que describe el
proceso mediante el cual una onda colapsa y deja de estar en varios lugares a
la vez, para quedarse en uno solo al ser observada. Pero Schrödinger, al igual
que muchos otros, creía que las rarezas de la física cuántica se debían a que
aún quedaban aspectos del comportamiento de las partículas por descubrir. La
realidad no podía ser probabilística ni sujeta a la observación. El problema es
que no sabemos todo lo que hay que saber todavía.
Intentando demostrar lo absurdo que en su opinión era la interpretación
de Copenhague, Schrödinger diseño un
experimento de pensamiento que irónicamente se convirtió en el buque insignia
de los libros de divulgación de la física cuántica. Para entender este
experimento hay que mencionar que muchos átomos son radiactivos. Un átomo
radioactivo, puede perder una de las partículas que lo componen en cualquier
momento, emitiendo radiación. Esta liberación de uno de sus componentes es
totalmente probabilística, por lo que se puede utilizar para ilustrar la
interpretación de Copenhague. En esta, un átomo esta en dos estados a la vez,
habiendo perdido una partícula y sin haberla perdido. Una vez que lo observamos
la función de la onda, según la ecuación de Schrödinger, colapsa y el átomo
esta en uno u otro estado. Para ilustrar esto en una forma en la que el mundo
del resto de los mortales se vea implicado, Schrödinger introduce un gato, una
caja, un detector de radiación y un veneno mortal (que podría ser sustituido
por cualquier alma letal). En este experimento teórico (ningún gato a muerto en
la colaboración) los científicos ponen al gato dentro de una caja junto al
átomo radiactivo, el detector y la cápsula de veneno (o arma mortífera a
elegir). En el momento en el que el átomo irradie una partícula el detector
activa el mecanismo que libera el veneno de la cápsula y el gato muere. Según
la interpretación de Copenhague, el átomo esta en dos estados simultáneamente, habiendo
emitido una partícula y sin haberlo hecho. Por lo tanto el gato está a la vez
vivo y muerto a la vez dentro de la caja, hasta que el investigador la abre
para comprobarlo y se colapsa en uno de los dos estados.
Para Schrödinger este ejemplo demostraba que la
interpretación de Copenhague no tenía sentido y que tenía que haber un fallo en
algún punto. Curiosamente hoy en día se utiliza este experimento para ilustrar
el extraño comportamiento de las partículas subatómicas. A pesar de los
esfuerzos de Einstein, Schrödinger y otros, las cualidades probabilísticas del
mundo de lo muy pequeño y la influencia del observador han demostrado su
solidez en múltiples experimentos desde entonces. Respecto a la interpretación
de Copenhague, hay quienes dudan de ella. Es una explicación muy formal, que se
ajusta a los resultados experimentales pero sin ir más allá. Pero aun así,
sigue siendo la más popular en el mundo académico.
Aquí tenéis también un video muy chulo del gran canal de Youtube “Minute Physics”:
http://www.youtube.com/watch?v=IOYyCHGWJq4
Imagen:
http://www.fantom-xp.com/es_20__Cat_in_the_box.html
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