El gato de Schrödinger (3°parte)

-Lo que sobrevino-

"La tarea no es ver lo que nunca se ha visto antes, sino pensar lo que nunca se ha pensado antes sobre lo que ves todos los días"

Erwin Schrödinger

"No pertenecemos a este mundo material que la naturaleza construye para nosotros. No estamos en ello, solo somos espectadores. La razón por la que creemos que estamos en ella, que pertenecemos a la imagen, es porque nuestros cuerpos están en la imagen. Nuestros cuerpos le pertenecen..." "Nuestro ser perceptivo no se encuentra en ninguna parte en la imagen, porque en si misma es la imagen del mundo".

De la misma manera que el experimento del gato de Schrödinger deriva en numerosas variaciones, el experimento de Wheeler también lo hace. Estos últimos tratan de determinar si la luz de alguna forma detecta el instrumento experimental a través del cual viajará y ajustará su comportamiento, o si por el contrario la luz permanecerá en un estado indeterminado, ni onda ni partícula hasta que se mide. Creados ambos como experimentos mentales, aunque muy difíciles de ejercitarlos al principio, han venido perfeccionándose y han proporcionado resultados cada vez más reveladores. Estos resultados han proporcionado a los científicos las evidencias de que el comportamiento de las ondas y de las partículas pueden coexistir simultáneamente.

La complementariedad es un aspecto fundamental de la física cuántica. Este principio establece que no se puede observar o medir simultáneamente ciertos pares de propiedades complementarias. Siendo la respuesta de Bohr a la paradoja EPR, que había sido diseñada por Einstein, Podolsky y Rosen para demostrar lo equivocada que estaba la llamada interpretación de Copenhague. La misma, es una colección de puntos de vista sobre el significado de la física cuántica, principalmente por parte de Niels Bohr y Werner Heisenberg, pero que no son unánimes. En lo que respecta al observador, Heisenberg establece una clara separación entre el observador (o el instrumento) y el sistema que se observa, en oposición, Niels Bohr argumenta que las intervenciones del observador determinan los resultados de los experimentos cuánticos. En 1927, Werner Heisenberg establece lo que se denominará el "principio de incertidumbre" que afirma que no hay posibilidad de poder conocer con exactitud simultáneamente la velocidad (o momento) y la posición de una partícula en un instante determinado. En cuanto mayor exactitud se determine una de estas propiedades, menos se conocerá de la otra. Si se conocía uno, el otro era incierto, no dependiendo esto en absoluto de la exactitud de los instrumentos que se utilicen. Como se explica esto, Heisenberg imaginó que se quería establecer la trayectoria de una partícula subatómica como un neutrón y que para ello se le bombardeaba con un fotón. Al recibir el neutrón el impacto del pesado fotón le propinaría a este un fuerte sacudón que por supuesto alteraría su velocidad por lo cual, si bien podríamos obtener la posición del neutrón en ese instante, su velocidad cambiaría de forma impredecible con motivo del propio proceso de observación. Si en vez de rayos gama que poseen ondas cortas, se utilizaran fotones más livianos, estos tendrían ondas largas disminuyendo la precisión de medición con respecto a la posición. No hay forma de perfeccionar el experimento para que se conozca la posición y la velocidad de la partícula al mismo tiempo. Pero aquí hay algo más, la dualidad, que hace que la partícula, como subrayamos más arriba pueda comportarse al mismo instante como partícula subatómica y como onda electromagnética. Por tanto las definiciones de las propiedades de las partículas son todas probabilísticas. 

A este punto, encontramos dos formas de describir los sistemas cuánticos matemáticamente; y esto es importante para aclarar la diferencia, de porque a veces se habla de física cuántica y otras de mecánica cuántica, ya que no son lo mismo. Schrödinger desarrolla en el año 1926, una ecuación que describe utilizando la física de ondas y la probabilidad, donde se podría encontrar una partícula que se comporta como una onda. Para esto incorporó el concepto de cuantos de Max Planck. Fue Bohr quien aplicó la idea de energía cuantizada a los electrones del átomo de hidrógeno (un único electrón) inspirándose en el modelo planetario. Y ya que estamos con la idea de órbitas se me ocurre el ejemplo de comparar a los electrones con los satélites artificiales actuales. Como estos, al recibir un impulso energético podía el electrón ascender de órbita (en este caso en lugar de propulsores, el electrón recibiría la energía necesaria de parte de un fotón). De la misma manera que los centros espaciales calculan la energía exacta necesaria para cambiar la nave espacial a una órbita determinada; el electrón necesitaría para elevar su nivel energético una frecuencia de luz concreta, cualquier otra no sería útil. A la inversa, aplicando sus retrocohetes con la energía correcta, el satélite podría volver a su órbita anterior  y de la misma forma, el electrón emitiendo un fotón de luz con esa frecuencia precisa, podría hacerlo. Si bien este modelo de Bohr funcionaba muy bien para el átomo simple del hidrogeno (un solo protón y un solo electrón) no lo hacia con otros átomos con varios electrones y núcleos más pesados. En ese momento estaba presente la posición de De Broglie de que los electrones también deberían ser considerados como ondas. Así que cada orbital debería ser considerado como un frente de onda (ejemplo de piedra lanzada al estanque). Schrödinger, inspirado por la posición de De Broglie, desarrolló la ecuación mencionada.

Ambas interpretaciones, la ondulatoria de Schrödinger y la matricial de Heisenberg se opusieron y los científicos estuvieron divididos, estando de acuerdo con una u otra hipótesis. Finalmente propusieron una descripción conjunta de la teoría cuántica que se conocería posteriormente como la mecánica cuántica. Al principio de incertidumbre de Heisenberg le sucedería  el concepto de indeterminismo. Se dejaba atrás la causa-efecto y nacía la probabilidad de resultados. En lugar de "a ciencia cierta" era el momento a partir del cual se escucharía hablar de "posibilidad". Muchos prominentes científicos no estaban de acuerdo, pero era lo que afloraba de las ecuaciones. La física se sumergía en las matemáticas abstractas.

Habiendo pretendido aclarar la diferencia entre la física cuántica y la mecánica cuántica. Expresemos que está última es la base de la física cuántica, incluida la química cuántica, la tecnología cuántica, la teoría cuántica de campos y la ciencia de la información cuántica. La mecánica cuántica junto con la teoría de la relatividad se gestan del deseo de tratar de resolver las inconsistencias entre los fenómenos observados y la física clásica. La mecánica cuántica muestra que las radiaciones electromagnéticas, viene en unidades llamadas fotones que no son otra cosa que "cuantos". 

En otra paradoja de una paradoja (y no es un simple juego de palabras), la demostración de la "realidad" paradójica del mundo cuántico surgirá de una variación del experimento imaginario de EPR. Si en la época en que Einstein, Podolsky y Rosen crearon la paradoja EPR los experimentos tenían la finalidad de medir la posición y el momento de la partícula, en la actualidad persiguen constatar cual es su espín y su polarización. Ahora, de que hablamos cuando mencionamos espín y polarización. La definición técnicamente correcta de espín sería "medida del momento angular intrínseco de toda partícula". Si bien, este término viene del inglés "spin" que significa "giro", en este contexto muchas de las características que asociamos con esta palabra, al igual que pasa con otras, como por ejemplo "intensidad" se inclinan a definir una significación algo diferente conceptualmente (este es un término usados en el ámbito de la sicología). En este caso, espín tiene una significación restringida a solo expresar una dirección en el espacio en un sentido positivo o negativo. Colocado en un campo magnético estable, la partícula solo puede estar paralela al campo o antiparalela. Estos estados se definen arbitrariamente como hacia arriba y hacia abajo. 

Por la similitud de apellidos, no debe confundirse a David Böhm (del que hablaremos ahora), con Niels Bhor, ni con Max Born. Si Max Planck vivió una vida perseguido por el infortunio, no fue fácil tampoco la vida de David Böhm perseguido por el macartismo y el recelo de alguno de sus colegas, ya que su interpretación de la teoría cuántica cuenta con una mayor exactitud empírica que la interpretación de Copenhague (para el que este interesado, una biografía muy completa en español se encuentra en "Un físico heterodoxo").

En la versión del experimento de EPR de Böhm, éste parte de concebir dos protones ligados entre sí por una configuración, llamada singlete. Estos productos de la desintegración de un átomo, deben tener la misma cuantía de espín, para garantizar que su momento angular es siempre cero, pero se alejarán en sentidos opuestos. Es una formulación que asegura que si se conoce el espín de una de las partículas que conforman el par, se conocerá el de la otra partícula por oposición. Ahora, tridimensionalmente se deben medir tres dimensiones de espín. Pero aquí nos topamos con el ya mencionado aspecto de la complementariedad, al medir una se alteran las otras dos. Además habrá fluctuaciones aleatorias por sus características cuánticas. Aquí podemos retomar que las dos partículas, consideradas en conjunto deben de tener igual espín, aunque opuesto. De esta forma, como sucedía en el experimento original de EPR, las partículas están entrelazadas. John Bell demostró que Einstein estaba equivocado al demostrar esta no-localidad. 

Diagrama del autor

Al igual que con el espín de una partícula, la polarización de un fotón es una propiedad con solo dos valores posibles que se expresan con un sí-no. Sí, está muy bien que lo asimiléis a un bit. Es un bit cuántico o cúbit. 

Ahora bien, siguiendo con las rendijas que están representadas en el diagrama de arriba, que pasaría si las segundas persianas estuvieran colocadas en ángulo de 45°. No pasaría ninguna onda. Pues no, en el mundo cuántico cada fotón que pudo atravesar la primera persiana tendría un 50% de probabilidad de poder pasar en la segunda. Si colocamos a su vez el polarizador con ángulo de 45° respecto a cada uno de ellos, entre los dos últimos del diagrama, sucederá que una cuarta parte de los fotones atravesará la tercera valla. Si eliminamos el polarizador intermedio, nuevamente ningún fotón podrá pasar. Cambiando el experimento se modifica la realidad cuántica. 

En el año 1983, el experimento de Alain Aspect consistente en medir la polarización de los fotones, demostró que cuando se mide la polarización de uno de los fotones, se obtiene la del otro. Proporciona pues una respuesta a la paradoja experimental EPR y establece un resultado irrefutable para la validación del entrelazamiento cuántico y las hipótesis de no-localidad. Después de éste, se han llevado a cabo otros experimentos con otras variables conjugadas como energía y tiempo, confirmando nuevamente la validez de la mecánica cuántica. En 1998, el experimento de Ginebra con detectores a 30 km de distancia replicó los resultados. Los experimentos prosiguieron, cada vez más perfeccionados. Hoy podemos asegurar que la violación de las desigualdades de Bell por la física cuántica está claramente establecidas. Se debe admitir entonces la no-localidad de la física cuántica y la realidad del estado de entrelazamiento.

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