El gato de Schrödinger: una nueva versión.



En el experimento mental más famoso del mundo, el físico Erwin Schrödinger describió cómo un gato en una caja podría estar en una situación incierta. Las reglas peculiares de la teoría cuántica significaban que podía estar vivo y muerto, hasta que se abriera la caja y se midiera el estado del gato. Ahora, dos físicos han ideado una versión moderna de la paradoja al reemplazar al gato con un físico que hace experimentos, con impactantes implicaciones.



La teoría cuántica tiene una larga historia de experimentos de pensamiento, y en la mayoría de los casos se utilizan para señalar debilidades en varias interpretaciones de la mecánica cuántica. Pero la última versión, que involucra a múltiples jugadores, es inusual: muestra que si la interpretación estándar de la mecánica cuántica es correcta, los diferentes experimentadores pueden llegar a conclusiones opuestas sobre lo que ha medido el físico en el recuadro. Esto significa que la teoría cuántica se contradice a sí misma.

El experimento conceptual ha sido debatido con entusiasmo en los círculos de física durante más de dos años, y ha dejado a la mayoría de los investigadores perplejos, incluso en un campo acostumbrado a conceptos extraños. "Creo que este es un nuevo nivel de rareza", dice Matthew Leifer, físico teórico de la Universidad de Chapman en Orange, California.


Las autoras, Daniela Frauchiger y Renato Renner, del Instituto Federal de Tecnología de Suiza (ETH) en Zurich, publicaron su primera versión del argumento en línea en abril de 2016. El artículo final aparece en Nature Communications el 18 de septiembre. (Frauchiger ha abandonado la academia).

Mundo extraño

La mecánica cuántica subyace a casi toda la física moderna, explicando todo, desde la estructura de los átomos hasta por qué los imanes se pegan entre sí. Pero sus fundamentos conceptuales siguen dejando a los investigadores que buscan respuestas. Sus ecuaciones no pueden predecir el resultado exacto de una medición, por ejemplo, de la posición de un electrón, solo las probabilidades de que pueda producir valores particulares.

Los objetos cuánticos como los electrones, por lo tanto, viven en una nube de incertidumbre, matemáticamente codificada en una "función de onda" que cambia de forma sin problemas, al igual que las olas ordinarias en el mar. Pero cuando se mide una propiedad como la posición de un electrón, siempre se obtiene un valor preciso (y se vuelve a obtener el mismo valor si se mide inmediatamente después).

La forma más común de entender esto fue formulada en la década de 1920 por los pioneros de la teoría cuántica Niels Bohr y Werner Heisenberg, y se llama la interpretación de Copenhague, por la ciudad donde vivía Bohr. Dice que el hecho de observar un sistema cuántico hace que la función de onda "colapse" de una curva extendida a un solo punto de datos.


La interpretación de Copenhague dejó abierta la cuestión de por qué las diferentes reglas deberían aplicarse al mundo cuántico del átomo y al mundo clásico de las mediciones de laboratorio (y de la experiencia cotidiana). Pero también fue tranquilizador: aunque los objetos cuánticos viven en estados inciertos, la observación experimental ocurre en el reino clásico y da resultados inequívocos.

Ahora, Frauchiger y Renner están sacudiendo a los físicos fuera de esta posición reconfortante. Su razonamiento teórico dice que la imagen básica de Copenhague, así como otras interpretaciones que comparten algunas de sus suposiciones básicas, no son coherentes internamente.

¿Qué hay en la caja?

Su escenario es considerablemente más complicado que el gato de Schrödinger, propuesto en 1935, en el que el felino vivía en una caja con un mecanismo que liberaría un veneno sobre la base de un suceso aleatorio, como la desintegración de un núcleo atómico. En ese caso, el estado del gato era incierto hasta que el experimentador abrió la caja y la marcó.

En 1967, el físico húngaro Eugene Wigner propuso una versión de la paradoja en la que reemplazó al gato y el veneno con un amigo físico que vivía dentro de una caja con un dispositivo de medición que podía devolver uno de los dos resultados, como una moneda con cabezas o colas. ¿Se colapsa la función de onda cuando el amigo de Wigner se da cuenta del resultado? Una escuela de pensamiento dice que sí, lo que sugiere que la conciencia está fuera del reino cuántico. Pero si la mecánica cuántica se aplica al físico, entonces ella debería estar en un estado incierto que combine ambos resultados hasta que Wigner abra la caja.

Frauchiger y Renner tienen una versión aún más sofisticada (ver "Nuevos gatos en la ciudad"). Tienen dos Wigners, cada uno haciendo un experimento con un amigo físico a quien guardan en una caja. Uno de los dos amigos (llámela Alice) puede lanzar una moneda y, usando su conocimiento de la física cuántica, prepara un mensaje cuántico para enviar al otro amigo (llámalo Bob). Utilizando su conocimiento de la teoría cuántica, Bob puede detectar el mensaje de Alice y adivinar el resultado de su lanzamiento de moneda. Cuando los dos Wigners abren sus cajas, en algunas situaciones pueden concluir con certeza de qué lado cayó la moneda, dice Renner, pero en ocasiones sus conclusiones son inconsistentes. "Uno dice:" Estoy seguro de que son colas ", y el otro dice:" Estoy seguro de que son las cabezas ", dice Renner.

El experimento no se puede poner en práctica, ya que requeriría que los Wigners midan todas las propiedades cuánticas de sus amigos, lo que incluye leer sus mentes, señala la teórica Lídia Del Rio, una colega de Renner en ETH Zurich.

Sin embargo, podría ser factible hacer que dos computadoras cuánticas jueguen las partes de Alice y Bob: la lógica del argumento solo requiere que conozcan las reglas de la física y tomen decisiones basadas en ellas, y en principio uno puede detectar el estado cuántico completo de una computadora cuántica (Las computadoras cuánticas lo suficientemente sofisticadas para hacer esto aún no existen, señala Renner).

Interpretaciones de duelo

Los físicos aún están aceptando las implicaciones del resultado. Ha provocado respuestas acaloradas de expertos en los fundamentos de la teoría cuántica, muchos de los cuales tienden a ser protectores de la interpretación de su mascota. "Algunos se emocionan", dice Renner. Y diferentes investigadores tienden a sacar conclusiones diferentes. "La mayoría de las personas afirman que el experimento muestra que su interpretación es la única que es correcta".

Para Leifer, producir resultados inconsistentes no necesariamente debe ser un factor decisivo. Algunas interpretaciones de la mecánica cuántica ya permiten visiones de la realidad que dependen de la perspectiva. Eso podría ser menos desagradable que tener que admitir que la teoría cuántica no se aplica a cosas complejas como las personas, dice.

Robert Spekkens, físico teórico del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Canadá, dice que la salida de la paradoja podría esconderse en algunas suposiciones sutiles en el argumento, en particular en la comunicación entre Alicia y Bob.

"En mi opinión, hay muchas situaciones en las que tener en cuenta el conocimiento de alguien implica una traducción de su conocimiento". Tal vez la inconsistencia se deba a que Bob no interpreta correctamente el mensaje de Alice, dice. Pero admite que aún no ha encontrado una solución.

Por ahora, es probable que los físicos continúen debatiendo. "No creo que hayamos comprendido esto", dice Leifer.

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