El gato de Schrödinger - Superposición Cuántica - Observación y Decoherencia

 

El experimento que planteó Erwin Schrödinger, es bastante sencillo: se pone a un gato dentro de una caja opaca cerrada (no se puede ver para adentro) una botella de gas venenoso, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse en un tiempo dado y un dispositivo tal que, si la partícula se desintegra, se rompe la botella y el gato muere. La pregunta que surge entonces es si el gato está vivo o está muerto. Este problema, planteado aproximadamente en 1935 por Erwin Schrödinger mezcla algunos elementos de la física cuántica (la probabilidad de desintegrarse) con la realidad cotidiana: la vida o la muerte de un gato; de esta forma queda evidenciada una de las dificultades intelectuales más grandes y complicadas de explicar que tiene la física cuántica: el concepto de superposición.

Para poder interpretar el resultado es necesario entender lo que se llaman “estados cuánticos”: un estado cuántico es un objeto matemático en el que se contiene toda la información de un objeto físico. Por ejemplo en el caso de un electrón moviéndose en el átomo, el estado cuántico tendría información sobre la energía, el momento angular y otras magnitudes físicas de interés. En general se puede hablar de dos tipos de estados, los puros, que son formados por un único estado cuántico y los mixtos que son formados por la suma de varios estados cuánticos diferentes. Al efectuar una medición de la energía del electrón, por ejemplo, sobre uno de los estados mixtos se podrá obtener alguno de los valores de la energía de los estados cuánticos presentes (y ningún otro,) cada uno con una determinada probabilidad.

El principio de superposición lo que dice es que si el mundo puede estar en un estado “A” y también en un estado “B” entonces también podrá estar en un estado que sea la combinación de ambos (estado mixto.) Sin embargo, al efectuar una medición de este estado sólo se podrá obtener “A” o “B”. Esto quiere decir que hasta el momento en el que se mide, el mundo estaba en los dos estados simultáneamente, pero luego de realizar una observación el estado colapsa a uno de los dos posibles: el “A” o el “B”. Es importante destacar que es posible medir ambos a veces con probabilidades diferentes, pero tarde o temprano, luego de realizar varias veces el experimento, se habrán obtenido los dos. En el experimento de Schrödinger el gato puede estar tanto vivo (“V”) como muerto (“M”) y como ambos son estados posibles, también puede estar en una combinación que sea vivo Y muerto, “V” + “M”. Ambas realidades coexistirán hasta que un observador abra la caja, vea el estado en el que se encontraba el gato y haga colapsar el sistema a una sola posibilidad: o vivo o muerto.

Aunque parezca descabellado en un primer momento, experiencias en el que se tienen diferentes estados superpuestos son llevadas a cabo diariamente en laboratorios de todo el mundo. Es una concepción de la realidad que se aleja sobremanera de lo que se pensaba hasta el siglo XX (y de lo que aún hoy se piensa cotidianamente) y presupone grandes desafíos no sólo para los físicos, sino también para los filósofos de la ciencia, ya que se está planteando que la realidad es en función de que se la observe. Si nadie hubiera abierto la caja el gato continuaría estando vivo y muerto.


Dieter Zeh: La observación es cuántica

La fricción con el entorno es lo que elimina las ondas de probabilidad
Los físicos han comprobado el proceso que convierte en realidad los estados probabilísticos del mundo subatómico: la fricción con el entorno es lo que elimina las ondas de probabilidad, pero la conciencia del observador forma parte del proceso cuántico, explica en la siguiente entrevista el afamado físico H. Dieter Zeh.

Fue el físico cuántico John Wheeler quien dijo que "son necesarios los observadores para dar existencia al mundo" porque vivimos en un "universo de participación", según escribió con Wojcieck Zurek. "Más allá de las partículas, de los campos de fuerza, de la geometría, del espacio y del tiempo, está el último elemento constitutivo de todo ello, el acto todavía más sutil del observador que participa".
Desde entonces la física no ha dejado de profundizar en el dilema que plantean las partículas elementales. El mundo cuántico describe objetos que se encuentran simultáneamente en varios lugares a la vez. Para describir estos objetos, la física recurre a superposición de estados cuánticos: es una manera de decir que las partículas elementales existen en varios estados superpuestos al mismo tiempo.
La duda surge a la hora de explicar el proceso que reduce esos estados superpuestos al estado concreto que nuestros sentidos perciben en el universo cotidiano. Porque es evidente que en el universo macrofísico los objetos se nos presentan en un estado concreto y no superpuesto.
Cuando se ha extrapolado el mundo cuántico al mundo macrofísico, como ha hecho Schrödinger con su ejemplo del gato, se ha identificado al observador y sus instrumentos de medida como el factor de realidad, es decir, aquel elemento que permite a los estados cuánticos superpuestos devenir en estados reales de dimensión única.
Sin embargo, nuevas investigaciones han abierto otras interpretaciones al proceso físico conocido como "reducción del paquete de ondas", es decir, al proceso que reduce la superposición de estados de probabilidad y concreta uno de ellos en el universo macrofísico en el que desenvolvemos nuestra existencia cotidiana.
Para W.H. Zurek y Dieter Zeh, entre otros autores, los así llamados modelos de decoherencia permiten explicar la ausencia de superposiciones en los estados macroscópicos de la materia, sin necesidad de una intervención determinante del observador.
Para cada observación hay que hablar de tres subsistemas implicados: el objeto (átomo, gato), el aparato de medida (que permite localizar el objeto) y el entorno (o escenario) donde se desenvuelve el proceso.
La interacción de los sistemas macroscópicos con su entorno es lo que diluye la superposición de estados cuánticos, según los modelos de decoherencia. Es decir, si un pequeño sistema como es un átomo, puede ser aislado de su entorno para ser estudiado, en el mundo macroscópico ese aislamiento no es posible porque un gato (por seguir el ejemplo de Schrödinger) está demasiado adherido a su universo a través de unos intensos mecanismos de fricción, lo que impide observarlo sin su entorno inmediato.
Estas interacciones del gato con su universo inmediato son las que anulan los estados de superposición de los espacios cuánticos y dejan fuera al papel del observador que describía Wheeler como creador de realidad.
La desaparición progresiva de la superposición cuántica ha sido observada experimentalmente en 1996 en el laboratorio Kastler Brossel (LKB), tal como publicó la revista Physical Review Letters y explica por qué una superposición cuántica no puede sobrevivir a una escala macroscópica. Una medición de la decoherencia en tiempo real también se obtuvo en el año 2000, según publicó entonces Nature.
Sin embargo, nada hay definitivo todavía sobre la frontera que existe entre el mundo cuántico y el mundo clásico, porque como explica en la siguiente entrevista uno de los artífices de los sistemas de decoherencia, Dieter Zeh, profesor del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg, la conciencia del observador siempre forma parte del proceso de conocimiento del mundo subatómico.

¿Cómo define la decoherencia y sus interpretaciones?

La decoherencia es la consecuencia inevitable del enredo incontrolable que tienen todos los sistemas físicos con su ambiente. El enredo quiere decir que la realidad no puede estar localizada en el espacio y en el tiempo. Este enredo ha sido confirmado experimentalmente por Aspect y otros como ' el no lugar cuántico'. Este "no lugar cuántico" es el que permite hablar de teletransportación cuántica, de ordenadores cuánticos y de otras consecuencias predichas por la teoría cuántica. En esta enredo incontrolable, los estados coherentes típicos de la teoría cuántica son no locales, por lo que no pueden ser observados por un observador. A esta falta de coherencia de los estados cuánticos se llama decoherencia..

¿Qué ha aportado la decoherencia a la física cuántica?

En virtud de la decoherencia, el mundo parece clásico. Es decir, ciertos objetos aparecen localizados en el espacio ("partículas"), mientras otros tienen valores repartidos por el espacio ("campos"). De la misma forma, los saltos cuánticos parecen ocurrir debido al mismo proceso de decoherencia según la ecuación de Schrödinger, si el entorno es realmente tenido en cuenta. La realidad es en cambio coherentemente descrita según conceptos cuánticos (como funciones de onda en un espacio multidimensional). De esta forma podemos reestablecer una descripción racional de la naturaleza (aunque haya una cierta relación del observador con el mundo observado).

¿Entonces, en qué medida interviene la observación en los procesos cuánticos?

La observación es un proceso cuántico que incluye la decoherencia, tal como fue descrito por la ecuación de Schrödinger. Sin embargo, la decoherencia participa también de otras situaciones más generales.

¿Qué significado tiene la decoherencia para la física cuántica?

El precio para esta salvación de la realidad (o más bien habría que llamarlo un logro) consiste en que el "verdadero mundo cuántico" debe ser mucho más rico que nuestro mundo observado. En términos clásicos hay que decir que existen "muchos mundos" que en total forman el único y verdadero mundo cuántico.

¿En qué contribuye la decoherencia a la descripción de los fenómenos cuánticos?

En que facilita todos los fenómenos objetivos, incluidos los fenómenos cuánticos que no pueden emerger al mundo macroscópico.

Fuente: www.tendencias21.net - Entrevistador: Eduardo Martinez