Los que somos seguidores de la serie de JJ Abrams, Fringe, estamos al día de las consecuencias de jugar con los mundos paralelos. No obstante, ¿existen realmente los universos paralelos? Y en ese caso, ¿cómo podríamos detectarlos?

Estas son algunas de las muchas preguntas alrededor de la física cuántica. Investigadores de las Universidades de Calgary y Waterloon en Canadá, y la Universidad de Ginebra en Suiza, han publicado un artículo en la revista Physical Review Letters donde explican por qué no solemos ver los efectos físicos de la mecánica cuántica en la vida diaria.

“La física cuántica funciona fantásticamente bien a pequeñas escalas, pero cuando se trata de una escala mayor, es casi imposible contar los fotones. Hemos demostrado que esto haga difícil el detectar estos efectos en nuestra vida diaria”, afirma el Dr. Christoph Simon, del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Calgary y uno de los principales autores del estudio.

Es bien sabido que los sistemas cuánticos son muy frágiles. Cuando un fotón interactúa con su entorno, aunque sólo sea una minúscula intercción, la superposición se destruye. La superposición es un principio fundamental de la física cuántica que afirma que los sistemas pueden existir en todos sus posibles estados de forma simultánea. Sin emargo, cuando lo medimos sólo se dá uno de ellos.

Este efecto, conocido como decoherencia, se ha estudiado intensamente durante las últimas décadas. Esta idea fue planteada por Erwin Schrödinger, uno de los padres de la física cuántica, en su famosa paradoja del gato: un felino encerrado en una caja con una botella de gas venenoso puede estar vivo y muerto a la vez. En este caso, la descripción correcta del sistema en ese momento —conocido como su función de onda— será el resultado de la superposición de estados “vivo” y “muerto”. Sin embargo, cuando abramos la caja para comprobar el estado del animal, éste estará vivo o muerto.

No obstante, de acuerdo a los autores de este nuevo estudio, la decoherencia no es la única razón por la cual los efectos cuánticos son difíciles de ver. Hay que tener en cuaneta que observar esta clase de efectos requiere unas mediciones muy precisas. Simon y su equipo estudiaron un ejemplo concreto parecido al del gato de Schrödinger utilizando un estado cuántico particular con un gran número de fotones.

“Demostramos que con el fin de ver la naturaleza cuántica de este estado, uno tiene que ser capaz de contar el número de fotones a la perfección”, afirma Simon. “Esto se hace más y más difícil, ya que el número total de fotones es mayor. Distinguir un fotón a partir de dos fotones está al alcance de la tecnología actual, pero distinguir un millón de fotones de otro millón, no lo está”.

Vía | University of Calgary

La mecánica cuántica dice que el resultado de una medición siempre es un estado base, de los que habíamos dicho que eran mutuamente excluyentes. En el caso de la aguja tenemos dos de estos estados: posición vertical y horizontal.

Es decir, aunque un sistema cuántico puede permanecer en un estado donde se mezclan los dos estados principales mientras no se está observando. Pero cuando realicemos la medición, siempre saldrá uno de los estados base.

Por lo tanto, siempre que miremos, la aguja estará en un estado clásicamente aceptable. Si lo pensáis, tiene lógica que sea así. Uno de los requisitos de cualquier nueva teoría es que permita recuperar los resultados de la antigua en aquellas situaciones en que funcionaba. Y en mecánica clásica, nunca vemos mezclas de estados, ¿verdad?

Sin embargo, los estados mixtos sí que pueden existir cuánticamente cuando no estamos observando el sistema. Si, de golpe, empezamos a observarlo, el estado mixto desaparecerá, y el estado del sistema cambiará automáticamente a uno de los estados base.

¿A cual de ellos? Pues resulta que no es posible saberlo. Dicha información no existe en el universo.

Sí, tal cual suena. No es que no podamos saberlo porque ignoremos alguna variable oculta, o porque nuestros experimentos no sean suficientemente buenos. Esa posibilidad se tomó muy en serio, se puso a prueba experimental y quedó descartada.

Es decir, es un hecho experimentalmente probado, indudable, indiscutible: cuando realizamos una medición sobre un estado mixto siempre obtendremos un estado base, pero no podemos saber cuál porque dicha información no existe. No es una limitación práctica, o experimental. Es un hecho fundamental y completamente insalvable.

Lo único que podemos saber es la probabilidad de obtener cada estado base. ¿Y cual es esa probabilidad? Pues justamente la proporción de la mezcla.

Por lo tanto, nuestro pobre gatito está en un estado mezcla al 50%. Por lo tanto, al abrir la caja y mirarlo, hay exactamente un 50% de probabilidades de encontrarlo vivo, y otro tanto de que el pobre haya perecido.

Y, vuelvo a repetir por si no he sido suficientemente contundente todavía: antes de abrir la caja y mirar, no es que no podamos saber cómo lo encontraremos por una cuestión de ignorancia temporal. Sencillamente, el universo aún no ha decidido. Puede que no nos guste que la realidad sea así, pero los experimentos no dejan dudar a duda.

Foto | Jieq

¿Qué significa exactamente eso de que podemos obtener estados nuevos mezclando dos (o más) estados base? Voy a intentar explicarlo poniendo un ejemplo divulgativo. Como siempre en estos casos, el ejemplo es una simplificación y tiene sus limitaciones (después intentaré explicarlas), no os lo toméis 100% al pie de la letra.

Imaginad la aguja de un indicador, como por ejemplo una brújula o una veleta. Pero al contrario que en esos casos, ambos extremos son idénticos. Esencialmente, la aguja tiene dos estados básicos, que corresponden a las posiciones horizontal y vertical.

Esto es lo que habíamos llamado estados mutuamente excluyentes. Si la veleta está horizontal, entonces no está vertical. Lógico, ¿no? Y esto sería todo en una versión clásica del experimento.

Sin embargo, como dijimos en el anterior capítulo, cuánticamente podemos obtener infinitos estados simplemente mezclando los estados base. Es decir, la aguja puede apuntar en una dirección intermedia.

Estas posiciones intermedias no son mutuamente excluyentes. Por ejemplo, si la posición de la veleta es de 45º, podríamos decir que está medio horizontal y medio vertical. Es un estado mezcla, como el gato que está en estado mixto vivo/muerto.

Como dije al principio, este ejemplo tiene sus limitaciones. Porque sabemos que clásicamente la aguja puede estar en cualquier posición, así que la cuántica no aporta nada al ejemplo. Para que fuera un mejor ejemplo, habría que imaginarse que, por algún motivo, fuera clásicamente imposible la aguja apuntara en alguna dirección que no fuera horizontal o vertical. Por favor, ignorar esa limitación del ejemplo, de lo contrario no entenderemos nada.

Dicho de otra forma, la física clásica sólo nos deja ver los estados más importantes de un sistema, los estados base. La cuántica, por contra, expone todos los estados posibles del sistema, aquellos que se obtienen mezclando (superponiendo, si nos ponemos técnicos) los estados base del sistema.

Otro ejemplo que os puede sonar son los colores. Podemos elegir tres colores principales (rojo, verde y azul, por ejemplo). Estos serían los estados principales. Sin embargo, podemos mezclaros en diferentes proporciones para obtener todos los colores que conocemos, y obtener así un sinfín de tonalidades.

Todo lo que hemos dicho hasta el momento se refiere a un sistema cuántico, una especie de aguja indicadora, que puede estar en un estado mezcla, mientras no la observamos. Pero, ¿qué ocurre cuando abrimos la caja y realizamos una observación? Lo veremos en el próximo capítulo.

Foto | The paperclip

Como dijimos en los capítulos previos, vamos a intentar entender qué significa que un sistema cuántico puede estar en dos estados diferentes a la vez.

La respuesta es muy sencilla: no puede, la frase anterior es falsa. Un sistema, por muy cuántico que sea, sólo puede estar en un estado. Lo que pasa es que los estados cuánticos son más complicados que los clásicos, y eso es lo que vamos a explicar en ésta y las próximas entregas.

Cuando hablamos clásicamente, los diferentes estados de un objeto son mutuamente excluyentes. El caso del gato es clarísimo: todos diríamos que si el gato está vivo, entonces no está muerto. Es a lo que estamos todos acostumbrados.

Claro, si miramos con detalle, hay muchos más estados posibles: el gato puede estar vivo pero agonizando, por ejemplo. Pero estos estados que podríamos decir siguen siendo excluyentes con el resto. Si el gato está agonizando, entonces no está muerto. Y tampoco está sano. Podemos complicarnos la vida buscando todo un gradiente de estados de salud del bicho, pero el gato sólo uno de esos estados describirá el gato. Siguen siendo estados excluyentes.

Los estados mutuamente también existen en mecánica cuántica. Se llaman ortogonales. De hecho, son la base de todo. Cuando uno empieza a estudiar un sistema cuántico nuevo, lo primero que tiene que empezar por hacer es buscar todos los estados ortogonales que existan. Esos estados base son lo más parecido a los estados de un objeto clásico.

Por simplicidad, nosotros nos centraremos únicamente en estados binarios: sí/no, vivo/muerto, hombre/mujer, etc. Todo lo dicho, y lo que diremos, sirve para cualquier número de estados base, pero es más tedioso.

La novedad en mecánica cuántica es que, además de los estados mutuamente excluyentes, existen muchos otros. De hecho, infinitos.

Se obtienen haciendo mezclas de los estados base. Pero, como en la cocina, cuando hacemos una mezcla tenemos que decidir la proporción de cada ingrediente (estado). Y como hay infinitas formas de elegir las proporciones de la mezcla, tenemos infinitos estados.

Foto | juandesant

Supongo que el enunciado del experimento mental es de sobras conocido, pero no estará de más repasarlo brevemente. Erwin Schrödinger proponía encerrar a un gatito en una jaula opaca y completamente aislada del exterior, por supuesto con aire y provisiones para sobrevivir durante todo el experimento.

Pero no todo son comodidades para el minino. El bueno de Erwin sitúa un contador geiger junto un material radiactivo. Si el contador registra la más mínima traza de radiactividad, liberará un veneno que liquidará al felino en cuestión de segundos.

Se calcula que el material radiactivo tiene una probabilidad de exactamente el 50% de producir la radiación suficiente durante el rato en que durará el experimento. Por lo tanto, clásicamente diríamos que el gato tiene una probabilidad del 50% de estar vivo al final del experimento, y otro tanto de estar muerto.

No obstante, según los principios de la mecánica cuántica, diríamos que el gato está vivo y muerto a la vez. O, mejor dicho, que está en un estado mixto, que se obtiene mezclando los dos estados clásicamente posibles.

Este tipo de estados mezcla de otros dos son típicos de la mecánica cuántica, y están más que confirmados experimentalmente en el caso de partículas subatómicas. La principal virtud del enunciado de Schrödinger es que consigue trasladar una propiedad cuántica típica del mundo de lo más pequeño (la probabilidad de decaimiento de un isótopo radiactivo), a un objeto macroscópico de la vida diaria (el gato).

En las próximas entregas vamos a intentar entender qué significa cuánticamente que un estado pueda ser mezcla de otros dos. El fenómeno que los físicos llamamos superposición de estados.

Por el momento, nos olvidaremos del gato. Si conseguimos entender el fenómeno para partículas más pequeñas; las mismas conclusiones serán válidas para un felino, por muy macroscópico que sea.

Fotos | garryknight

Hace unas semanas Tanausú nos enviaba un agónico correo pidiendo que le ayudáramos a comprender la paradoja del gato de Schrödinger. Bueno, no sé si conseguiremos ayudarle, pero podemos intentarlo.

La principal dificultad cuando uno intenta hablar de mecánica cuántica a nivel de divulgación es, por raro que parezca que parezca, el sentido común del lector. Estamos acostumbrados a nuestro mundo macroscópico y clásico. Que la realidad pueda ser tan rotundamente diferente nos puede llegar a parecer una aberración.

Y eso no nos pasa sólo a los mortales, al mismísimo Einstein la cuántica no le cabía en la cabeza. Y hoy en día tenemos pruebas experimentales de que se equivocaba, por lo menos al respecto de esto.

Además, al divulgar uno siempre se enfrenta al dilema de si debe narrar únicamente lo que dicen las ecuaciones (¡y es un reto hacerlo sin recurrir a las mates!), o bien intentar dar una interpretación. El problema es que la mecánica cuántica tiene diversas interpretaciones, y a día de hoy aún no sabemos cuál es la interpretación correcta. De hecho, ni siquiera sabemos si realmente tiene sentido preguntar si hay una interpretación correcta.

Una interpretación, en términos simples, es una explicación literaria (no matemática, aunque a menudo se basa en principios matemáticos) de porqué una teoría es como es. El problema es que, como la interpretación únicamente interpreta (valga la redundancia), no modifica en nada lo que dice la teoría.

Por lo tanto, no hay ninguna forma de diseñar un experimento que permita decir si una interpretación es correcta o incorrecta. (Nota: esto no es siempre así; en el pasado hubo interpretaciones que sí pudieron ponerse a prueba y descartarse experimentalmente, lo cual significa que en realidad no eran meras interpretaciones, sino teorías alternativas. La postura de Einstein en torno la cuántica fue un caso, por ejemplo).

Por ese motivo, es muy importante diferenciar entre interpretaciones de la cuántica y la cuántica en sí. En esta mini-serie de posts me voy a centrar únicamente en lo que dice la mecánica cuántica, sin entrar en ninguna de sus interpretaciones. Quería dejar claro esto, y ahora ya podemos empezar a hablar del gato de Schrödinger.

Foto | Dhatfield

Seguramente en algún momento de la vida se escuchó mencionar al experimento del Gato de Schrödinger; también es muy probable que nunca se haya recibido una explicación satisfactoria de su significado y que haya permanecido como un misterio más de la ciencia. Sin embargo ese experimento pensado, bastante simple, da cuenta de la visión que la ciencia desarrolló de la realidad durante los primeros treinta o cuarenta años del siglo XX. La física cuántica, al contrario de la relatividad, a veces va contra preceptos tan instalados en la mente humana que hace muy difícil su divulgación y por eso quedan tantas preguntas siempre abiertas. A veces encarar la solución de un problema es el mejor método para aproximar una teoría muy rica y compleja sobre la cual miles de científicos están trabajando alrededor del mundo.

El experimento (pensado, en alemán gedankenexperiment) que se plantea es bastante sencillo: se pone a un gato dentro de una caja cerrada (no se puede ver para adentro) junto con un átomo que tiene una probabilidad del 50% de desintegrarse y matar al gato. 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; es ahí cuando surge una pregunta crucial: ¿el gato sabía que estaba vivo?

Fuentes | Wikipedia (Inglés) Fuentes | Modern Quantum Mechanics - J. J. Sakurai