Superposición Cuántica: El gato que está vivo y muerto

Superposición Cuántica: El gato que está vivo y muerto

Por: Víctor Arturo Domínguez Campos

La mecánica cuántica es una rama de la física de partículas que se encarga de estudiar el movimiento de las partículas dependiendo de sus condiciones. ¿Pero cómo es posible que un gato esté vivo y muerto a la vez?, para responder a esta pregunta primero haremos una recapitulación del estudio de las partículas.

Historia

Los filósofos Demócrito y Leucipo dedujeron que toda la materia debe estar compuestas de bloques elementales, invisibles, e indivisibles llamados “átomos” del griego: “átomos”, indivisible; “a”, no; “temno”, cortar, dividir. Posteriormente, Dalton probó científicamente la existencia de los átomos y mucho tiempo más tarde, Max Planck con su “teoría cuántica” se convirtió en padre de esa nueva área de la física llamada “Física cuántica”.

Composición

Los átomos están compuestos de tres partes elementales: los neutrones y protones (formando el núcleo), y los electrones alrededor del núcleo. A través de la historia ha habido diferentes modelos del átomo y de la manera de que los electrones viajen alrededor del núcleo, uno de los más famosos es el modelo de Bohr (figura 1), pues esta es estética y sencilla de entender, ya que los electrones siguen caminos elípticos según su energía.

El Debate

Sin embargo, en la comunidad científica se instauró el debate de si los electrones deben ser tratados como ondas o como partículas, es decir, si los electrones se mueven al estilo ondulatorio característico de una onda, o como un bloque solido y definido. Por lo que en 1801 Thomas Young diseñó y llevó a cabo un experimento llamado “Experimento de la doble rendija”, que básicamente se componía de tres partes: un lanzador de electrones, una barrera con rendijas, y una pared sensible a los electrones que marquen su impacto. El método por seguir fue disparar átomos a través de las dos rendijas y observar cómo se marcan en la pared de atrás; si se formaran dos líneas perfectas, el movimiento de los átomos es de tipo partícula (figura 2, lado izquierdo); y si se formaran un patrón de líneas, el movimiento sería tipo onda (figura 2, lado derecho). El resultado fue interesante, pues se dieron cuenta en efecto se generaba un movimiento como de ondas. Una variante de este experimento fue colocar dos cajas frente a una pared, ambas cajas tienen la misma probabilidad de contener una partícula; sin embargo, cuando se abre una caja a la vez el patrón dibujado era diferente que cuando se abrían los dos a la vez, dibujándose respectivamente como el lado izquierdo y derecho de la imagen.

La Función de Onda

Erwin Schrodinger, un físico austriaco, fue el que logró explicar matemáticamente el patrón formado, así como algunas propiedades extrañas del mundo cuántico. Él dijo que las partículas cuando no están siendo observadas se comportan como una onda, sin embargo, al momento de realizar una medición (o observación, en lenguaje común) se colapsaba algo que llamó la función de onda, y la partícula volvía a tener un lugar definido. Así, dijo que la pared del experimento funcionaba como medición y colapsaba la función de onda; e introdujo un concepto contraintuitivo, la superposición cuántica, esta dice que una partícula está en todos lados a la vez hasta ser observada, esto explica la segunda variante del experimento, pues abrir una sola rendija cuenta como observación. 

Albert Einstein era un defensor de la física clásica, por lo que él ideó una manera de mostrar lo ilógico que era la función de onda de Schrodinger, planteando lo siguiente: Si metes a un gato a una caja, junto con un artefacto que libere gas si la partícula está en la parte superior de la caja y no libere nada si la partícula está en la parte inferior, el gato estará vivo y muerto a la vez hasta que abras la caja y la función de onda colapse. 

Conclusión

En conclusión, la función de onda es una característica contra intuitiva de la mecánica cuántica, mostrado usualmente como un gato que está en una superposición de vivo y muerto. Actualmente, se está investigando como aprovechar este fenómeno en forma de tecnología, siendo la informática cuántica el principal y más prometedor resultado. Las computadoras cuánticas pueden llegar a resolver un problema de forma mucho más eficiente que una computadora normal, pues usa la superposición para probar todos los resultados posibles a la vez.

References: 

La paradoja del gato de schrödinger. (n.d.). Retrieved April 01, 2021, from https://www.astromia.com/astronomia/paradojagato.htm#:~:text=El%20gato%20de%20Schr%C3%B6dinger%20es,popular%20de%20la%20f%C3%ADsica%20cu%C3%A1ntica.&text=La%20propuso%20el%20premio%20nobel,de%20una%20caja%20completamente%20opaca.

QuantumFracture (Director). (2017, July 07). Entendiendo El EXPERIMENTO de la Doble Rendija [Video file]. Retrieved April 01, 2021, from https://www.youtube.com/watch?v=r2vlr2LyUnw