Sobre el gato de Schrödinger en palabras sencillas. El gato de Schrödinger: el famoso experimento paradójico
Seguramente habrás escuchado más de una vez que existe un fenómeno llamado “El gato de Schrödinger”. Pero si no eres físico, lo más probable es que solo tengas una vaga idea de qué tipo de gato es y por qué es necesario.
"El gato de Schrödinger" es el nombre del famoso experimento mental del famoso físico teórico austriaco Erwin Schrödinger, también galardonado premio Nobel. Con la ayuda de este experimento ficticio, el científico quiso mostrar lo incompleto mecánica cuántica durante la transición de sistemas subatómicos a sistemas macroscópicos.
Este artículo intenta explicar en palabras simples la esencia de la teoría de Schrödinger sobre el gato y la mecánica cuántica, de modo que sea accesible para una persona que no tenga una educación técnica superior. El artículo también presentará varias interpretaciones del experimento, incluidas las de la serie de televisión "The Big Bang Theory".
Contenido:
1. Descripción del experimento
2. Explicación en palabras sencillas.
3. Vídeo de La teoría del Big Bang
4. Reseñas y comentarios
Descripción del experimento
El artículo original de Erwin Schrödinger se publicó en 1935. En él se describía el experimento utilizando la técnica de la comparación o incluso la personificación:
También se pueden construir casos en los que haya bastante burlesque. Que se encierre a un gato en una cámara de acero con la siguiente máquina diabólica (que debería ser así independientemente de la intervención del gato): dentro de un contador Geiger hay una cantidad minúscula de sustancia radiactiva, tan pequeña que sólo un átomo puede desintegrarse en una hora, pero con la misma probabilidad no podrá desintegrarse; si esto sucede, se descarga el tubo de lectura y se activa el relé, soltándose el martillo, que rompe el matraz con ácido cianhídrico.
Si dejamos todo este sistema solo durante una hora, entonces podemos decir que el gato estará vivo después de este tiempo, siempre y cuando el átomo no se desintegre. La primera desintegración atómica envenenaría al gato. La función psi del sistema en su conjunto expresará esto mezclando o untando un gato vivo y uno muerto (perdón por la expresión) en partes iguales. Lo típico en tales casos es que la incertidumbre originalmente limitada al mundo atómico se transforma en incertidumbre macroscópica, que puede eliminarse mediante observación directa. Esto nos impide aceptar ingenuamente que el “modelo borroso” refleja la realidad. Esto en sí mismo no significa nada confuso o contradictorio. Existe una diferencia entre una foto borrosa o desenfocada y una foto de nubes o niebla.
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En otras palabras:
1. Hay una caja y un gato. La caja contiene un mecanismo que contiene un núcleo atómico radiactivo y un contenedor con gas venenoso. Los parámetros experimentales se seleccionaron de modo que la probabilidad de desintegración nuclear en 1 hora sea del 50%. Si el núcleo se desintegra, se abre un recipiente con gas y el gato muere. Si el núcleo no se descompone, el gato permanece vivo y coleando.
2. Encerramos al gato en una caja, esperamos una hora y nos preguntamos: ¿el gato está vivo o muerto?
3. La mecánica cuántica parece decirnos que el núcleo atómico (y por tanto el gato) se encuentra en todos los estados posibles simultáneamente (ver superposición cuántica). Antes de abrir la caja, el sistema gato-núcleo está en el estado "el núcleo se ha descompuesto, el gato está muerto" con una probabilidad del 50% y en el estado "el núcleo no se ha descompuesto, el gato está vivo" con una probabilidad del 50%. Resulta que el gato sentado en la caja está vivo y muerto al mismo tiempo.
4. Según la interpretación moderna de Copenhague, el gato está vivo/muerto sin ningún estado intermedio. Y la elección del estado de desintegración del núcleo no se produce en el momento de abrir la caja, sino incluso cuando el núcleo ingresa al detector. Porque la reducción de la función de onda del sistema “gato-detector-núcleo” no está asociada al observador humano de la caja, sino al detector-observador del núcleo.
Explicación en palabras sencillas.
Según la mecánica cuántica, si no se observa el núcleo de un átomo, entonces su estado se describe mediante una mezcla de dos estados: un núcleo descompuesto y un núcleo no descompuesto, por lo tanto, un gato sentado en una caja y personificando el núcleo de un átomo. Está vivo y muerto al mismo tiempo. Si se abre la caja, el experimentador solo puede ver un estado específico: "el núcleo se ha descompuesto, el gato está muerto" o "el núcleo no se ha descompuesto, el gato está vivo".
La esencia en el lenguaje humano: el experimento de Schrödinger demostró que, desde el punto de vista de la mecánica cuántica, el gato está vivo y muerto, lo cual no puede serlo. Por tanto, la mecánica cuántica tiene importantes defectos.
La pregunta es: ¿cuándo deja de existir un sistema como mezcla de dos estados y elige uno específico? El propósito del experimento es mostrar que la mecánica cuántica está incompleta sin algunas reglas que indiquen bajo qué condiciones la función de onda colapsa y el gato muere o permanece vivo pero ya no es una mezcla de ambas. Como está claro que un gato debe estar vivo o muerto (no existe un estado intermedio entre la vida y la muerte), esto será similar para el núcleo atómico. Debe estar deteriorado o no (Wikipedia).
Vídeo de La teoría del Big Bang
Otra interpretación más reciente del experimento mental de Schrödinger es una historia que el personaje de Big Bang Theory, Sheldon Cooper, le contó a su vecina Penny, menos educada. El punto de la historia de Sheldon es que el concepto del gato de Schrödinger se puede aplicar a las relaciones humanas. Para entender qué está pasando entre un hombre y una mujer, qué tipo de relación hay entre ellos: buena o mala, basta con abrir la caja. Hasta entonces, la relación es buena y mala.
A continuación se muestra un videoclip de este intercambio de Big Bang Theory entre Sheldon y Penia.
¿El gato siguió vivo como resultado del experimento?
Para aquellos que no leyeron el artículo con atención, pero todavía están preocupados por el gato: buenas noticias: No te preocupes, según nuestros datos, el resultado de un experimento mental realizado por un físico austriaco loco
NINGÚN GATO RESULTÓ HERIDO
¿Puede un gato estar vivo y muerto al mismo tiempo? ¿Cuántos universos paralelos hay? ¿Y existen siquiera? Estas no son preguntas de ciencia ficción en absoluto, sino problemas científicos muy reales resueltos por la física cuántica.
Así que comencemos con El gato de Schrödinger. Este es un experimento mental propuesto por Erwin Schrödinger para señalar una paradoja que existe en la física cuántica. La esencia del experimento es la siguiente.
En una caja cerrada se coloca simultáneamente un gato imaginario, así como el mismo mecanismo imaginario con un núcleo radiactivo y un recipiente con gas venenoso. Según el experimento, si el núcleo se desintegra, se activará el mecanismo: el recipiente de gas se abrirá y el gato morirá. La probabilidad de desintegración nuclear es de 1 entre 2.
La paradoja es que, según la mecánica cuántica, si no se observa el núcleo, entonces el gato se encuentra en la llamada superposición, es decir, el gato se encuentra simultáneamente en estados mutuamente excluyentes (está vivo y muerto). Sin embargo, si el observador abre la caja, puede comprobar que el gato se encuentra en un estado concreto: o está vivo o muerto. Según Schrödinger, lo incompleto de la teoría cuántica radica en el hecho de que no especifica en qué condiciones un gato deja de estar en superposición y resulta estar vivo o muerto.
Esta paradoja se ve agravada por el experimento de Wigner, que añade la categoría de amigos a un experimento mental ya existente. Según Wigner, cuando el experimentador abra la caja sabrá si el gato está vivo o muerto. Para el experimentador, el gato deja de estar en superposición, pero para el amigo que está detrás de la puerta y que aún no conoce los resultados del experimento, el gato todavía se encuentra en algún lugar “entre la vida y la muerte”. Esto puede continuar con un número infinito de puertas y amigos, y según una lógica similar, el gato estará en superposición hasta que todas las personas en el Universo sepan lo que vio el experimentador cuando abrió la caja.
¿Cómo explica la física cuántica tal paradoja? la física cuántica sugiere un experimento mental suicidio cuántico y dos escenarios posibles basados en diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica.
En un experimento mental, se apunta un arma al participante y disparará como resultado de la desintegración de un átomo radiactivo o no. Nuevamente, 50 a 50. Por lo tanto, el participante en el experimento morirá o no, pero por ahora está, como el gato de Schrödinger, en superposición.
Esta situación puede interpretarse de diferentes formas desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Según la interpretación de Copenhague, el arma eventualmente se disparará y el participante morirá. Según la interpretación de Everett, la superposición prevé la presencia de dos universos paralelos en los que el participante existe simultáneamente: en uno de ellos está vivo (el arma no disparó), en el segundo está muerto (el arma disparó). Sin embargo, si la interpretación de muchos mundos es correcta, entonces en uno de los universos el participante siempre permanece vivo, lo que lleva a la idea de la existencia de una "inmortalidad cuántica".
En cuanto al gato de Schrödinger y al observador del experimento, según la interpretación de Everett, él y el gato también se encuentran a la vez en dos Universos, es decir, en un "lenguaje cuántico", "enredados" con él.
Suena como una historia de novela de fantasía sin embargo, este es uno de muchos teorías científicas, que tiene lugar en la física moderna.
Como nos explicó Heisenberg, debido al principio de incertidumbre, la descripción de objetos en el micromundo cuántico es de naturaleza diferente a la descripción habitual de objetos en el macromundo newtoniano. En lugar de las coordenadas espaciales y la velocidad, que estamos acostumbrados a describir el movimiento mecánico, por ejemplo, el de una bola en una mesa de billar, en la mecánica cuántica los objetos se describen mediante la llamada función de onda. La cresta de la “onda” corresponde a la probabilidad máxima de encontrar una partícula en el espacio en el momento de la medición. El movimiento de dicha onda se describe mediante la ecuación de Schrödinger, que nos dice cómo cambia el estado de un sistema cuántico con el tiempo.
Ahora sobre el gato. Todo el mundo sabe que a los gatos les encanta esconderse en cajas (). Erwin Schrödinger también estaba al tanto. Además, con fanatismo puramente nórdico, utilizó esta característica en un famoso experimento mental. Lo esencial era que había un gato encerrado en una caja con una máquina infernal. La máquina está conectada a través de un relé a un sistema cuántico, por ejemplo, una sustancia en descomposición radiactiva. La probabilidad de descomposición es conocida y es del 50%. La máquina infernal se activa cuando cambia el estado cuántico del sistema (se produce la descomposición) y el gato muere por completo. Si dejas solo el sistema "Cuantos-máquina-caja-gato" durante una hora y recuerdas que el estado de un sistema cuántico se describe en términos de probabilidad, entonces queda claro que si el gato está vivo o no depende de este momento Con el tiempo, probablemente no funcionará, del mismo modo que no será posible predecir con precisión de antemano la caída de una moneda en cara o cruz. La paradoja es muy simple: la función de onda que describe un sistema cuántico mezcla los dos estados de un gato: está vivo y muerto al mismo tiempo, de la misma manera que un electrón ligado puede ubicarse con igual probabilidad en cualquier lugar del espacio equidistante de el núcleo atómico. Si no abrimos la caja, no sabemos exactamente cómo está el gato. Sin hacer observaciones (léase mediciones) de un núcleo atómico, podemos describir su estado sólo mediante la superposición (mezcla) de dos estados: un núcleo desintegrado y no desintegrado. Un gato adicto a la energía nuclear está vivo y muerto al mismo tiempo. La pregunta es: ¿cuándo deja de existir un sistema como mezcla de dos estados y elige uno específico?
La interpretación de Copenhague del experimento nos dice que el sistema deja de ser una mezcla de estados y elige uno de ellos en el momento en que se produce una observación, que también es una medida (se abre el cuadro). Es decir, el hecho mismo de la medición cambia la realidad física, lo que lleva al colapso de la función de onda (¡el gato muere o permanece vivo, pero deja de ser una mezcla de ambos)! Piénselo, el experimento y las mediciones que lo acompañan cambian la realidad que nos rodea. Personalmente, este hecho me molesta mucho más que el alcohol. Al conocido Steve Hawking también le cuesta vivir esta paradoja, repitiendo que cuando oye hablar del gato de Schrödinger, tiende la mano hacia la Browning. La gravedad de la reacción del destacado físico teórico se debe al hecho de que, en su opinión, el papel del observador en el colapso de la función de onda (su colapso en uno de dos estados probabilísticos) es muy exagerado.
Por supuesto, cuando el profesor Erwin concibió su gato-tortura allá por 1935, fue una forma ingeniosa de mostrar la imperfección de la mecánica cuántica. De hecho, un gato no puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Como resultado de una de las interpretaciones del experimento, se hizo evidente que existía una contradicción entre las leyes del macromundo (por ejemplo, la segunda ley de la termodinámica: el gato está vivo o muerto) y el micromundo. mundo (el gato está vivo y muerto al mismo tiempo).
Lo anterior se utiliza en la práctica: en computación cuántica y criptografía cuántica. A través de un cable de fibra óptica se envía una señal luminosa en una superposición de dos estados. Si los atacantes se conectan al cable en algún punto intermedio y hacen una señal allí para escuchar la información transmitida, esto colapsará la función de onda (desde el punto de vista de la interpretación de Copenhague, se hará una observación) y la luz entrará en uno de los estados. Realizando pruebas estadísticas de luz en el extremo receptor del cable, será posible detectar si la luz se encuentra en una superposición de estados o ya ha sido observada y transmitida a otro punto. Lo hace posible creación medios de comunicación que excluyen la interceptación de señales indetectables y las escuchas ilegales.
Otra interpretación más reciente del experimento mental de Schrödinger es una historia que el personaje de Big Bang Theory, Sheldon Cooper, le contó a su vecina Penny, menos educada. El punto de la historia de Sheldon es que el concepto del gato de Schrödinger se puede aplicar a las relaciones humanas. Para entender qué está pasando entre un hombre y una mujer, qué tipo de relación hay entre ellos: buena o mala, basta con abrir la caja. Hasta entonces, la relación es buena y mala.
Como nos explicó Heisenberg, debido al principio de incertidumbre, la descripción de objetos en el micromundo cuántico es de naturaleza diferente a la descripción habitual de objetos en el macromundo newtoniano. En lugar de las coordenadas espaciales y la velocidad, que estamos acostumbrados a describir el movimiento mecánico, por ejemplo, el de una bola en una mesa de billar, en la mecánica cuántica los objetos se describen mediante la llamada función de onda. La cresta de la “onda” corresponde a la probabilidad máxima de encontrar una partícula en el espacio en el momento de la medición. El movimiento de dicha onda se describe mediante la ecuación de Schrödinger, que nos dice cómo cambia el estado de un sistema cuántico con el tiempo.
Ahora sobre el gato. Todo el mundo sabe que a los gatos les encanta esconderse en cajas (). Erwin Schrödinger también estaba al tanto. Además, con fanatismo puramente nórdico, utilizó esta característica en un famoso experimento mental. Lo esencial era que había un gato encerrado en una caja con una máquina infernal. La máquina está conectada a través de un relé a un sistema cuántico, por ejemplo, una sustancia en descomposición radiactiva. La probabilidad de descomposición es conocida y es del 50%. La máquina infernal se activa cuando cambia el estado cuántico del sistema (se produce la descomposición) y el gato muere por completo. Si dejas solo el sistema “Cuantos-máquina-caja-gato” durante una hora y recuerdas que el estado de un sistema cuántico se describe en términos de probabilidad, entonces queda claro que probablemente no será posible averiguarlo. si el gato está vivo o no en un momento dado, del mismo modo que es imposible predecir con precisión de antemano la caída de una moneda en cara o cruz. La paradoja es muy simple: la función de onda que describe un sistema cuántico mezcla los dos estados de un gato: está vivo y muerto al mismo tiempo, de la misma manera que un electrón ligado puede ubicarse con igual probabilidad en cualquier lugar del espacio equidistante de el núcleo atómico. Si no abrimos la caja, no sabemos exactamente cómo está el gato. Sin hacer observaciones (léase mediciones) de un núcleo atómico, podemos describir su estado sólo mediante la superposición (mezcla) de dos estados: un núcleo desintegrado y no desintegrado. Un gato con adicción nuclear está vivo y muerto al mismo tiempo. La pregunta es: ¿cuándo deja de existir un sistema como mezcla de dos estados y elige uno específico?
La interpretación de Copenhague del experimento nos dice que el sistema deja de ser una mezcla de estados y elige uno de ellos en el momento en que se produce una observación, que también es una medida (se abre el cuadro). Es decir, el hecho mismo de la medición cambia la realidad física, lo que lleva al colapso de la función de onda (¡el gato muere o permanece vivo, pero deja de ser una mezcla de ambos)! Piénselo, el experimento y las mediciones que lo acompañan cambian la realidad que nos rodea. Personalmente, este hecho me molesta mucho más que el alcohol. Al conocido Steve Hawking también le cuesta vivir esta paradoja, repitiendo que cuando oye hablar del gato de Schrödinger, tiende la mano hacia la Browning. La gravedad de la reacción del destacado físico teórico se debe al hecho de que, en su opinión, el papel del observador en el colapso de la función de onda (su colapso en uno de dos estados probabilísticos) es muy exagerado.
Por supuesto, cuando el profesor Erwin concibió su gato-tortura allá por 1935, fue una forma ingeniosa de mostrar la imperfección de la mecánica cuántica. De hecho, un gato no puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Como resultado de una de las interpretaciones del experimento, se hizo evidente que existía una contradicción entre las leyes del macromundo (por ejemplo, la segunda ley de la termodinámica: el gato está vivo o muerto) y el micromundo. mundo (el gato está vivo y muerto al mismo tiempo).
Lo anterior se utiliza en la práctica: en computación cuántica y criptografía cuántica. A través de un cable de fibra óptica se envía una señal luminosa en una superposición de dos estados. Si los atacantes se conectan al cable en algún punto intermedio y hacen una señal allí para escuchar la información transmitida, esto colapsará la función de onda (desde el punto de vista de la interpretación de Copenhague, se hará una observación) y la luz entrará en uno de los estados. Realizando pruebas estadísticas de luz en el extremo receptor del cable, será posible detectar si la luz se encuentra en una superposición de estados o ya ha sido observada y transmitida a otro punto. Esto permite crear medios de comunicación que excluyen la interceptación y escuchas indetectables de señales.
Otra interpretación más reciente del experimento mental de Schrödinger es una historia que el personaje de Big Bang Theory, Sheldon Cooper, le contó a su vecina Penny, menos educada. El punto de la historia de Sheldon es que el concepto del gato de Schrödinger se puede aplicar a las relaciones humanas. Para entender qué está pasando entre un hombre y una mujer, qué tipo de relación hay entre ellos: buena o mala, basta con abrir la caja. Hasta entonces, la relación es buena y mala.
El gato de Schrödinger es un famoso experimento mental. Fue dirigido por el famoso premio Nobel de física, el científico austriaco Erwin Rudolf Joseph Alexander Schrödinger.
La esencia del experimento fue la siguiente. Se colocó un gato en una cámara cerrada (caja). La caja está equipada con un mecanismo que contiene un núcleo radiactivo y un gas venenoso. Los parámetros se seleccionan de modo que la probabilidad de desintegración nuclear en una hora sea exactamente del cincuenta por ciento. Si el núcleo se desintegra, el mecanismo entrará en acción y se abrirá un recipiente con gas venenoso. Por tanto, el gato de Schrödinger morirá.
Según las leyes, si no se observa el núcleo, sus estados se describirán mediante dos estados principales: los núcleos desintegrados y no desintegrados. Y aquí surge una paradoja: el gato de Schrödinger, que está sentado en una caja, puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Pero si se abre la caja, el experimentador verá sólo un estado específico. O "el núcleo se descompuso y el gato está muerto" o "el núcleo no se descompuso y el gato de Schrödinger está vivo".
Lógicamente, a la salida tendremos una de dos cosas: o un gato vivo o uno muerto. Pero potencialmente el animal se encuentra en ambos estados a la vez. Schrödinger intentó de este modo demostrar su opinión sobre las limitaciones de la mecánica cuántica.
Según la interpretación de Copenhague y este experimento en particular, un gato en una de sus fases potenciales (muerto-vivo) adquiere estas propiedades sólo después de que un observador externo interviene en el proceso. Pero mientras este observador no esté allí (aquí nos referimos a la presencia de una personalidad específica que tiene las ventajas de la claridad de visión y de conciencia), el gato estará en el limbo “entre la vida y la muerte”.
La famosa parábola antigua de que el gato camina solo adquiere matices nuevos e interesantes en el contexto de este experimento.
Según Everett, que difiere notablemente del clásico de Copenhague, el proceso de observación no se considera algo especial. En esta interpretación pueden existir ambas afirmaciones en las que puede encontrarse el gato de Schrödinger. Pero se decoheren entre sí. Esto significa que la unidad de estos estados se verá perturbada precisamente como resultado de la interacción con el mundo exterior. Es el observador que abre la caja el que trae la discordia al estado del gato.
Existe la opinión de que la última palabra en este asunto debería dejarse en manos de una criatura como el gato de Schrödinger. El significado de tal opinión es la aceptación del hecho de que en todo este experimento el animal es el único observador absolutamente competente. Por ejemplo, los científicos Max Tegmark, Bruno Marshall y Hans Moraven presentaron una modificación del experimento anterior, donde el punto de vista principal es la opinión del gato. En este caso, el gato de Schrödinger sobrevive sin duda, porque sólo el gato superviviente puede observar los resultados. Pero el científico Nadav Katz publicó sus resultados en los que pudo "devolver" el estado de la partícula después de cambiar su estado. Por tanto, las posibilidades de supervivencia del gato aumentan significativamente.