El gato de Schrödinger

No, no vamos a hablar de gatos ni de mascotas. Nos disponemos a entrar en el enigmático mundo cuántico, el mundo de las partículas.

En la realidad que percibimos a nuestro alrededor todo son partículas: átomos, electrones, protones, neutrones, quarks… El gato de nuestra historia no es sino un conglomerado de partículas que se mantienen unidas bajo la acción de fuerzas de naturaleza fundamentalmente eléctrica, pero que son perfectamente separables. La naturaleza tiene carácter discreto; nada es continuo.

En el mudo “macro”, el que podemos observar, las cosas suceden de una forma que se nos antoja natural. Si lanzamos una piedra verticalmente sabemos que caerá por el efecto de la gravedad; si pisamos el acelerador del coche, esperamos de forma inmediata un aumento de su velocidad. Todo nos resulta previsible y además cuantificable. Las leyes de la física son perfectamente entendidas y plenamente aceptadas y permiten además predecir los efectos sin llegar a experimentarlos. Si se impulsa una bola de billar sobre el tapete de una mesa, conociendo la situación de partida y algunos datos más es posible determinar matemáticamente con absoluta precisión su trayectoria y el lugar donde se detendrá. Si alguien pudiera observar el universo desde fuera, podría perfectamente determinar su evolución.

Por sí sola, la mente humana es incapaz  de influir en el comportamiento de las cosas. Bien es cierto que la voluntad de golpear la bola de billar se gesta en la consciencia de quien la golpea, pero aún así necesita al músculo del brazo para su ejecución. Como decía Einstein, en nuestro mundo no existen “efectos fantasmales” capaces de alterar la física.  No existen los  “Harry Potter” ni los vudús.

En el mundo cuántico las cosas son bien distintas. Aunque se han desarrollado modelos matemáticos capaces de predecir el comportamiento de las partículas, el porqué de ese comportamiento no solo resulta antinatural sino que además se nos antoja en gran medida enigmático. Para entender lo que digo, vamos a realizar un experimento.

Hemos dispuesto sobre una mesa dos básculas, de esas que usamos habitualmente en la cocina para pesar los alimentos. Encima de las básculas descansan sendas cajas cerradas en cuya parte superior existe un orificio. Cada orificio lleva acoplado un tubo que se hace converger con el de la otra caja formando una “V” invertida. Desde el vértice de la “V” sale un tubo vertical. La figura adjunta ilustra el pequeño laboratorio que hemos fabricado.

Si dejamos caer una bola desde la parte superior del tubo vertical, se desplazará hacia las cajas, entrando en una u otra con una probabilidad del 50 %.

Iniciamos el experimento. Dejamos caer la primera bola y observamos el indicador de las dos básculas. La de la derecha registra un peso mayor que la otra, de manera que intuimos que la bola ha ido a parar a la caja que descansa sobre ella. La abrimos y efectivamente la bola está allí, en tanto que la otra caja está vacía. Repetimos varias veces el experimento y el resultado siempre es el mismo, alternando la bola de una caja a la otra. Todo resulta perfectamente natural e intuitivo.

Desplacémonos ahora al mundo cuántico y experimentemos de la misma forma, sustituyendo la bola por un átomo. Lanzamos el átomo por el tubo y observamos las básculas. Oh, sorpresa, las dos básculas registran un incremento de peso, como si el átomo estuviera simultáneamente en ambas cajas. Miramos en su interior y comprobamos que en realidad aparece solo en una de ellas y la otra, como era de prever, está vacía. Seguramente hemos hecho algo mal. Probemos de nuevo.

Por muchos intentos que realicemos el resultado es siempre el mismo. El átomo está en las dos cajas simultáneamente y al observar en su interior aparece solo en una de ellas.

Este experimento ha sido recreado en múltiples ocasiones usando por supuesto dispositivos más sofisticados que simples tubos, cajas y básculas y se ha podido constatar científicamente que este extraño comportamiento del átomo es real. Nadie en la comunidad científica duda de ello.

¿Cómo es posible que una partícula de materia pueda estar en dos sitios a la vez? ¿Cuál es la explicación científica de este comportamiento? No existe tal explicación, tan solo interpretaciones.

Niels Bohr, uno de los patriarcas de la física cuántica (el del modelo atómico de los electroncitos girando alrededor del núcleo, el que nos enseñaban en el colegio) junto con otros científicos formuló en 1927 una interpretación de este fenómeno, conocida como la interpretación de Copenhague, por ser ésta la ciudad de residencia de Bohr. Según ella, el átomo está simultáneamente en ambas cajas, en un estado denominado de “superposición cuántica”. Es la observación, el contacto con el mundo “macro”, lo que hace que el átomo aparezca solo en una de ellas. En otras palabras, es la propia observación (quizás la mente humana) la que crea la realidad observada.

Antonio Pérez Vicente Mecánica cuántica. Interpretación de Copenhague. Interpretación probabilística de la mecánica cuántica: 2 densidad de probabilidad. Nubes de probabilidad o densidad electrónica. Max Born. ( ) Premio Nobel en 1954.

Einstein se manifestó frontalmente contra esta forma de entender el fenómeno, oponiéndose a la idea de que existieran esas “fuerzas fantasmales” que creaban la realidad (“Me gusta pensar que la luna sigue allí aún cuando no la estoy observando”). Einstein creía en la existencia de “variables ocultas”, capaces de de dar una explicación científica razonable, variables que todavía no habían sido descubiertas. Nadie hasta ahora ha sido capaz de dar con esas variables.

El fenómeno que hace que el átomo esté en dos sitios a la vez ha sido motivo de otras muchas interpretaciones, algunas de ellas no exentas de cierta extravagancia, pero tan plausibles como cualquier otra. En 1957, Hugh Everett negó que el átomo apareciera solo en una de las cajas al realizar la observación. Según él, el átomo está siempre en ambas cajas y al observarlas aparece también en las dos, pero cada una de ellas en universos distintos. Es decir, vivimos simultáneamente realidades diferentes en distintos  universos sin tener consciencia de ello. Esta interpretación ha dado lugar a una teoría conocida como del multiverso, que no por extravagante que parezca deja de tener interés. Será motivo de tratamiento en próximas publicaciones en esta sección.

Si toda la materia que nos rodea no es más que un conjunto de átomos, el lector se preguntará cómo es posible que estos “trocitos” de materia puedan estar simultáneamente en lugares distintos y sin embargo el mismo efecto nunca se haya manifestado en “el todo” que componen esos trocitos, es decir en la materia “macro” que percibimos a nuestro alrededor. Según la interpretación de Copenhague, “el todo” está siendo constantemente observado, porque, por su naturaleza, está en contacto continuo con el resto del mundo. Esta observación permanente crea la realidad que percibimos.

¿Cómo convive la comunidad científica con este enigma? Pues sin darle demasiada importancia. Lo que cuenta es que los fenómenos cuánticos, siendo inexplicables, son en gran medida predecibles mediante modelos matemáticos que se han venido desarrollando. Esto es suficiente para aprovecharnos de ellos y crear tecnología como el transistor, el láser, la resonancia magnética, los superconductores… La tercera parte de la economía mundial se basa en estas tecnologías. Actualmente se está experimentando para crear ordenadores cuánticos, con capacidades de procesamiento hoy en día inimaginables, utilizando las posibilidades de procesamiento en paralelo que ofrece la superposición cuántica.

La física del mundo “macro” tampoco está libre de enigmas. Sin embargo, los hemos adoptados en nuestras vidas y los contemplamos con total naturalidad.

La piedra que lanzo verticalmente, ¿por qué cae hacia abajo? Respondemos sin dudarlo: “por el efecto de la gravedad”. Pero, ¿qué es la gravedad?, ¿cómo es posible que una fuerza se trasmita a través de algo vacío como es el espacio entre cuerpos? ¿Dónde está la correa de transmisión que transmite esa fuerza? Es algo quizás no menos enigmático que la superposición cuántica, pero no nos lo parece.

El fenómeno que hoy nos ha ocupado en esta sección es solo uno de los múltiples enigmas que encierra el mundo cuántico. En próximas publicaciones seguiremos nuestro viaje por este extraño mundo, tratando temas no menos apasionantes: la naturaleza de las partículas, la teoría de lazos, la teoría de cuerdas…

¡Ah, casi lo olvido!. Tenemos que hablar del famoso gato de Schrödinger.

Erwin Schrödinger es otro de los genios de la mecánica cuántica, quizás al que debemos la mayor aportación científica en este terreno. Él fue quien elaboró un modelo basado en su conocida “Función de onda”, capaz de predecir matemáticamente el comportamiento de las partículas. Hasta ahora ese modelo se ha mostrado acertado y preciso y es la base de todo el desarrollo científico (y también industrial) en el campo cuántico.

El gato de Schrödinger es una paradoja que él mismo planteó para poner en evidencia lo absurdo que es todo esto que hemos venido contando hasta ahora. Esta paradoja se ha utilizado como referencia en miles de ponencias y publicaciones científicas e incluso ha sido motivo de mención en guiones de alguna que otra serie televisiva de moda (The Big Bang Theory).

Regresemos al experimento de las cajas. En una de ellas introducimos un dispositivo capaz de liberar un gas venenoso al detectar un átomo en su presencia. En esta caja encerramos además un gato vivo.

Cuando se libera el átomo y entra en ambas cajas, su presencia en la que está el gato libera el veneno y causa automáticamente la muerte del felino. Sin embargo, al hacer la observación, el átomo aparece solo en la caja contraria a la que encierra al gato, de manera que el animalito aparece vivo. En definitiva, el gato, en algún momento, ha tenido que estar vivo y muerto a la vez.