El gato de Schrödinger; ¿por qué era necesario?

Primero, una sutileza histórica: Schrödinger en realidad le ha robado la idea del gato a Einstein.

En segundo lugar, ambos hombres, Einstein y Schrödinger, utilizaron el experimento mental para "explicar" un punto que estaba equivocado. Pensaron que era absurdo que la mecánica cuántica dijera que el estado$a|{\rm alive}\rangle+b|{\rm dead}\rangle$era posible en la naturaleza (se afirmaba que era posible en la mecánica cuántica) porque permitía que ambos tipos "incompatibles" del gato existieran simultáneamente.

En tercer lugar, estaban equivocados porque la mecánica cuántica implica que tales superposiciones están totalmente permitidas y deben permitirse y este hecho puede verificarse experimentalmente, no realmente con gatos sino con objetos de un tamaño característico que ha ido en aumento. Los objetos macroscópicos ya han sido puestos en "estados generales de superposición" similares.

Los hombres lo introdujeron para luchar contra las interpretaciones convencionales, al estilo de Copenhague, de la mecánica cuántica, y así es como la mayoría de la gente también usa el meme hoy. Pero los hombres estaban equivocados, por lo que desde un punto de vista científicamente válido, el experimento mental muestra que las superposiciones siempre están permitidas, es un postulado de la mecánica cuántica, incluso si tales estados son contradictorios. Se miden superposiciones similares de estados de sentido común de modo que sólo$|a|^2$y$|b|^2$de los coeficientes importan y pueden interpretarse como probabilidades (más o menos clásicas). Debido a la decoherencia, la fase relativa es prácticamente imposible de medir en sistemas grandes y caóticos como los gatos, pero en principio, incluso la fase relativa importa.

En general, a las personas que están equivocadas, que tienen problemas con la mecánica cuántica, les gusta decir que la superposición significa que el gato está vivo "y" muerto. Pero la respuesta cuántica correcta es que la suma en la función de onda no significa "y". En cambio, significa una especie de "o", por lo que la superposición simplemente dice que el gato está vivo o muerto , con las probabilidades apropiadas (la mecánica cuántica determina no solo las probabilidades sino también sus fases complejas, y esas pueden ser importantes para otras preguntas) .

El experimento mental tenía como objetivo ilustrar un concepto y cuestionar la validez de dicho concepto: 1/ El concepto: en la mecánica cuántica, antes de realizar una observación (nótese que el gato está en una caja cerrada y nadie puede ver lo que sucede en ella). la caja), un sistema no está en un estado definido, pero sólo tiene una cierta probabilidad de estar en cualquier estado - aquí el sistema es un gato, y los estados son "muerto" y "vivo", y es de hecho un sorprendente imagen. Con esto, se alcanza el objetivo de hacer que las cejas se levanten y los oyentes se pregunten si se dan cuenta de la importancia del concepto.

2/ El cuestionamiento: al aplicar el concepto de superposición a cuestiones de vida y muerte, y también a un objeto macroscópico, el objetivo era resaltar la naturaleza realmente revolucionaria del concepto en sí mismo, en particular para resaltar nuestra completa ignorancia de la razón por la cual este el comportamiento cuántico es ubicuo a escala atómica, pero más raramente observado a escala macroscópica (aunque existen algunas manifestaciones: superconductividad, BEC...)

Así que mi respuesta es: no era necesario, pero fue una forma llamativa de transmitir el concepto de superposición cuántica y preguntar cuál es el límite definitorio entre las leyes microscópicas y macroscópicas de la naturaleza, si es que existe alguno. Esta pregunta todavía está en debate y es uno de los objetivos de las teorías de unificación, con la pregunta principal de una teoría cuántica de la gravedad aún sin resolver.

Por eso creo que Schrödinger introdujo este experimento mental. Puede explicar por qué Schrödinger desarrolló este experimento mental considerando primero el experimento de la doble rendija. Disparas un fotón a una doble rendija, y el fotón atraviesa el dispositivo de doble rendija y luego golpea una pantalla. Si no trata de determinar por qué rendija ha pasado el fotón, entonces el fotón (casi con seguridad) golpeará un punto en una pantalla que corresponde a la posición de un antinodo de interferencia (no generará un patrón de interferencia de antinodos con solo un fotón, pero un fotón aterrizará en uno de los lugares que sería un antinodo si hubieras usado más luz (y hubieras enviado muchos más fotones por la doble rendija). Esto te dice que el fotón no podría haber atravesado uno rendija o por la otra. Si hubiera pasado por una rendija o por la otra, habría recorrido uno de los dos caminos clásicos posibles. El fotón habría viajado en línea recta desde la fuente de luz hasta la rendija por la que pasó y continuó viajando en línea recta hasta que golpeó la pantalla en un punto que está en línea con la rendija y la fuente. Pero no hizo esto: pegó la pantalla en una posición de antinodo como si el fotón fuera una onda y viajó a través de ambas rendijas al mismo tiempo. Entonces, el resultado de este experimento requiere que consideres que el fotón viajero existe a lo largo de todos los caminos posibles (es decir, toma todos los caminos posibles) entre la fuente y el punto donde el fotón finalmente golpea la pantalla. El fotón habría viajado en línea recta desde la fuente de luz hasta la rendija por la que pasó y continuó viajando en línea recta hasta que golpeó la pantalla en un punto que está en línea con la rendija y la fuente. Pero no hizo esto: pegó la pantalla en una posición de antinodo como si el fotón fuera una onda y viajó a través de ambas rendijas al mismo tiempo. Entonces, el resultado de este experimento requiere que consideres que el fotón viajero existe a lo largo de todos los caminos posibles (es decir, toma todos los caminos posibles) entre la fuente y el punto donde el fotón finalmente golpea la pantalla. El fotón habría viajado en línea recta desde la fuente de luz hasta la rendija por la que pasó y continuó viajando en línea recta hasta que golpeó la pantalla en un punto que está en línea con la rendija y la fuente. Pero no hizo esto: pegó la pantalla en una posición de antinodo como si el fotón fuera una onda y viajó a través de ambas rendijas al mismo tiempo. Entonces, el resultado de este experimento requiere que consideres que el fotón viajero existe a lo largo de todos los caminos posibles (es decir, toma todos los caminos posibles) entre la fuente y el punto donde el fotón finalmente golpea la pantalla.

¿La leccion? Cuando no interfieres con una entidad cuántica, evoluciona según una función de onda y se encuentra en una superposición de muchos estados hasta que se observa.

Ahora para el gato de Schrödinger. Si no se observa un átomo con un núcleo inestable, evoluciona de acuerdo con una función de onda y se encuentra simultáneamente en un estado no decaído y en un estado decaído (donde el valor del coeficiente del estado decaído en la función de onda aumenta a medida que transcurre el tiempo, y el coeficiente de el coeficiente no decaído disminuye a medida que transcurre el tiempo). Si bien puede considerar la función de onda como un medio para predecir la probabilidad de que el fotón golpee la pantalla en un punto particular, no puede considerarla para describir la probabilidad de que el fotón haya pasado por una rendija u otra, porque eso no sería consistente. con la observación de que el fotón golpeó la pantalla en una posición de antinodo en lugar de golpear un punto que está en línea con una rendija particular y la fuente de luz. Clásicamente, el átomo debe existir en un estado u otro pero no en ambos simultáneamente; los estados clásicos son mutuamente excluyentes. Pero en la mecánica cuántica, el átomo puede existir en ambos estados al mismo tiempo cuando no se observa. El experimento mental de Schrödinger muestra cuán ridícula es la realidad cuántica (pero no la refuta). Puedes imaginar un experimento en el que la superposición de estados atómicos requiera que un objeto macroscópico (el gato) también se encuentre en una superposición de estados mutuamente excluyentes (vivo y muerto), en lugar de existir en un estado clásico u otro.

El gato de Schrödinger es un experimento mental, a veces descrito como una paradoja. El escenario presenta un gato que puede estar tanto vivo como muerto, dependiendo de un evento aleatorio anterior. Aunque el "experimento" original era imaginario, se han investigado y utilizado principios similares en aplicaciones prácticas.

El experimento mental también se presenta a menudo en discusiones teóricas sobre las interpretaciones de la mecánica cuántica. Schrödinger escribió: Uno puede incluso establecer casos bastante ridículos. Un gato está encerrado en una cámara de acero, junto con el siguiente dispositivo (que debe protegerse contra la interferencia directa del gato): en un contador Geiger, hay una pequeña cantidad de sustancia radiactiva, tan pequeña, que tal vez en el curso de la hora uno de los átomos decae, pero también, con igual probabilidad, tal vez ninguno; si sucede, el tubo contador se descarga y, a través de un relé, suelta un martillo que rompe un pequeño frasco de ácido cianhídrico .

Si uno ha dejado todo este sistema solo durante una hora, uno diría que el gato todavía vive si mientras tanto ningún átomo se ha desintegrado. La función psi de todo el sistema expresaría esto al tener en él al gato vivo y muerto (perdón por la expresión) mezclados o untados en partes iguales.

Es típico de estos casos que una indeterminación originalmente restringida al dominio atómico se transforme en una indeterminación macroscópica, que luego puede ser resuelta por observación directa. Eso nos impide aceptar tan ingenuamente como válido un "modelo borroso" para representar la realidad. En sí mismo, no encarnaría nada confuso o contradictorio. Hay una diferencia entre una fotografía movida o desenfocada y una instantánea de nubes y bancos de niebla.