El experimento mental original
Erwin Schrödinger publicó su experimento mental con gatos en 1935, en un artículo titulado "La situación actual en la mecánica cuántica". La configuración:
"Se coloca un gato en una caja sellada con una pequeña cantidad de sustancia radiactiva con un 50% de probabilidad de descomponerse en una hora. Si se descompone, un contador Geiger acciona un martillo que rompe un frasco de ácido cianhídrico, matando al gato. Si no se descompone, el gato vive".
El átomo radiactivo es un sistema cuántico: antes de la observación, se encuentra en una superposición de "descompuesto" y "no descompuesto". Según la mecánica cuántica, todo el sistema (átomo + detector + veneno + gato) se entrelaza en una superposición de estados: el gato está vivo y muerto al mismo tiempo hasta que se abre la caja y se observa el sistema.
Lo que Schrödinger estaba realmente argumentando
Esto es lo más importante que hay que entender: Schrödinger inventó este experimento mental para argumentar en contra de la interpretación de Copenhague, no para celebrarla.
Su punto era una reductio ad absurdum. La interpretación de Copenhague (Bohr, Heisenberg) sostiene que los sistemas cuánticos existen en superposición hasta que se miden, y que la función de onda es una descripción completa de la realidad. Schrödinger decía: "Si tomamos esto en serio, nos vemos obligados a concluir que un gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, lo cual es obviamente ridículo. Por lo tanto, debe haber algo mal en la forma en que interpretamos la mecánica cuántica".
Tenía razón en que hay un problema. El problema de la medición: ¿cuándo y por qué el mundo cuántico de superposiciones da lugar al mundo clásico definido que observamos? — sigue siendo una de las cuestiones abiertas más profundas en los fundamentos de la física.
La función de onda y la superposición
En mecánica cuántica, el estado de un sistema se describe mediante su función de onda ψ. La probabilidad de encontrar una partícula en un estado particular es |ψ|². Antes de la medición, un átomo radiactivo en superposición se describe mediante:
Si el destino del gato está acoplado al átomo, el estado total se entrelaza:
Esto es matemáticamente exacto: el formalismo de la mecánica cuántica lo produce directamente. La pregunta es qué significa. Diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica dan respuestas radicalmente diferentes.
Cómo lo resuelven las diferentes interpretaciones
1. Interpretación de Copenhague (Bohr, 1927)
La función de onda es una herramienta de cálculo, no una descripción de la realidad. Las propiedades físicas sólo se definen en el momento de la medición por parte de un observador o aparato "clásico". Antes de realizar la medición, no tiene sentido preguntar si el gato está vivo o muerto; la pregunta no tiene sentido. "Cállate y calcula".
Problema: ¿Qué se considera una "medida"? ¿Cuál es el límite entre lo cuántico y lo clásico? Esto nunca se define con precisión.
2. Interpretación de muchos mundos (Everett, 1957)
La función de onda nunca colapsa. En cambio, cuando se abre la caja, el observador se divide en dos ramas del universo: una donde ve un gato vivo y otra donde ve un gato muerto. Cada evento cuántico ramifica el universo en todos sus resultados posibles. Todas las ramas son igualmente reales.
Fuerza: Matemáticamente simple: simplemente mecánica cuántica unitaria, no se necesita ningún postulado de colapso. Problema: ¿Qué determina en qué rama terminamos "nosotros"? La regla de Born (regla de probabilidad) debe derivarse, no postularse; esto sigue siendo controvertido.
3. Teoría de la onda piloto / Mecánica de Bohm (de Broglie, Bohm)
Las partículas siempre tienen posiciones y velocidades definidas, guiadas por una onda real. El gato siempre está definitivamente vivo o definitivamente muerto, pero nuestra ignorancia de las condiciones iniciales hace necesarias las probabilidades cuánticas. Sin colapso, sin ramificaciones.
Problema: No local por construcción (como lo demuestra el teorema de Bell). Es controvertido extenderlo a la teoría cuántica de campos relativista.
4. Teorías del colapso objetivo (GRW, Penrose)
La función de onda colapsa físicamente, pero a través de un proceso físico objetivo y real, no sólo a través de la "observación". La teoría GRW añade términos de colapso estocástico a la ecuación de Schrödinger. Penrose propone que el colapso ocurre cuando dos ramas tienen geometrías espacio-temporales suficientemente diferentes (gravedad cuántica). Los objetos macroscópicos colapsan esencialmente instantáneamente; Las partículas individuales casi nunca.
Decoherencia cuántica: la resolución moderna
Los más aceptados práctico la resolución (aunque no es una interpretación final) es decoherencia cuántica, desarrollado por Dieter Zeh, Wojciech Zurek y otros a partir de los años 1970.
Un gato macroscópico contiene del orden de 1028 partículas, cada una de las cuales interactúa constantemente con las moléculas de aire, los fotones y entre sí. Estas interacciones enredar Los estados cuánticos del gato con el entorno a un ritmo extraordinario. La escala de tiempo para que este entrelazamiento ambiental haga que las superposiciones cuánticas sean inmensurablemente pequeñas es:
donde λdB es la longitud de onda térmica de Broglie y d es el tamaño del objeto. Para un objeto del tamaño de un gato a temperatura ambiente, la decoherencia ocurre en aproximadamente 10-30 segundos, demasiado rápido para que persista cualquier superposición macroscópica.
La decoherencia no resuelve filosóficamente el problema de la medición: explica por qué nunca vemos gatos vivos y muertos en la práctica, pero no explica por qué vemos uno resultado definitivo y no otro. Ese sigue siendo el problema difícil.
Experimentos reales con el gato Schrödinger
Contraintuitivamente, los físicos han creado estados reales del gato de Schrödinger, no con gatos literales, sino con sistemas cuánticos mesoscópicos lo suficientemente grandes como para traspasar el límite cuántico-clásico:
- 1996 — Grupo Haroche (ENS París): Campos de fotones en cavidades de microondas colocados en superposiciones de dos estados clásicos distintos. Ganó el Premio Nobel 2012 (Haroche y Wineland).
- 2000 — NIST: Los iones de berilio atrapados se colocan en superposiciones de dos estados de movimiento distintos (posiciones "izquierda" y "derecha"), separados por 80 nanómetros, mensurables según los estándares de 2010 como una superposición cuántica genuinamente macroscópica.
- 2018 — Universidad de Viena: Moléculas de 2.000 átomos (compuestos a base de fullereno) demostraron interferencia cuántica: los objetos más grandes que muestran dualidad onda-partícula hasta la fecha.
- 2021 — MIT (resonadores nanomecánicos): Osciladores mecánicos macroscópicos (~1013 átomos) enfriados a estados fundamentales cuánticos y entrelazados.
Cada uno de estos experimentos investiga la transición de lo cuántico a lo clásico, proporcionando pruebas cada vez más rigurosas de dónde falla la mecánica cuántica (si lo hace), o confirmando que no es así, hasta escalas cada vez mayores.
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Preguntas frecuentes
¿El gato de Schrödinger está vivo o muerto?
La MC estándar dice que está en superposición hasta que se observa, pero este era el punto de Schrödinger sobre lo absurdo de esa respuesta. La teoría de la decoherencia dice que el gato efectivamente colapsa en ~10-30 s, por lo que en la práctica siempre es uno u otro.
¿Se debía tomar en serio al gato de Schrödinger?
No: fue un argumento reductio ad absurdum contra la interpretación de Copenhague. Schrödinger criticaba la mecánica cuántica y no proponía que los gatos pudieran estar vivos y muertos.
¿Qué resolución aceptan hoy la mayoría de los físicos?
La mayoría de los físicos en activo utilizan operativamente la interpretación de Copenhague ("cállate y calcula"), aceptan la decoherencia como la explicación práctica de por qué no vemos superposiciones macroscópicas y reconocen que el problema de la medición no está filosóficamente resuelto. Muchos mundos tiene un apoyo teórico cada vez mayor.