Físicos teóricos han propuesto una novedosa solución al dilema del gato de Schrödinger, abriendo la puerta a una mayor conciliación entre las teorías de la mecánica cuántica y la relatividad de Einstein.
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Las leyes extrañas de la física cuántica postulan que los objetos físicos pueden existir en una combinación de múltiples estados, como estar en dos lugares a la vez o poseer diversas velocidades simultáneamente. Según esta teoría, un sistema permanece en tal «superposición» hasta que interactúa con un dispositivo de medición, adquiriendo valores definitivos solo como resultado de la medición. Este cambio abrupto en el estado del sistema se llama colapso.
El físico Erwin Schrödinger resumió esta teoría en 1935 con su famosa paradoja felina, utilizando la metáfora de un gato en una caja sellada que está simultáneamente muerto y vivo hasta que se abre la caja, colapsando así el estado del gato y revelando su destino.
Sin embargo, aplicar estas reglas a escenarios del mundo real enfrenta desafíos, y aquí es donde surge la verdadera paradoja. Mientras que las leyes cuánticas son válidas para el reino de las partículas elementales, objetos más grandes se comportan de acuerdo con la física clásica como predijo la teoría de la relatividad general de Einstein, y nunca se observan en una superposición de estados. Describir el universo entero usando principios cuánticos presenta aún mayores obstáculos, ya que el cosmos parece ser enteramente clásico y carece de cualquier observador externo que sirva como dispositivo de medición para su estado.
«La pregunta es si el universo, que no tiene un entorno circundante, puede estar en tal superposición», dijo Matteo Carlesso, físico teórico de la Universidad de Trieste, en Italia, y autor principal de un artículo publicado recientemente en el Journal of High Energy Physics. «Las observaciones dicen que no: todo sigue las predicciones clásicas de la Relatividad General. Entonces, ¿qué está rompiendo tal superposición?».
Las estructuras más grandes del universo parecen seguir las reglas de la relatividad de Einstein, mientras que los objetos más pequeños obedecen la mecánica cuántica. ¿Pueden los cambios propuestos en las infames ecuaciones del gato de Schrödinger ayudar a unir las dos teorías?
Para abordar esta pregunta, Carlesso y sus colegas propusieron modificaciones a la ecuación de Schrödinger, que rige cómo evolucionan con el tiempo todos los estados, incluidos aquellos en superposición.
«Modificaciones específicas de la ecuación de Schrödinger pueden resolver el problema», señaló Carlesso.
En particular, el equipo agregó términos a la ecuación que capturaban cómo el sistema interactúa consigo mismo, así como algunos otros términos específicos. Esto, a su vez, conduce a la descomposición de la superposición.
«Estos efectos son más fuertes cuanto más grande es el sistema», agregó el físico italiano.
Crucialmente, estas modificaciones tienen poco impacto en los sistemas cuánticos microscópicos, como átomos y moléculas, pero permiten que sistemas más grandes, como el propio universo, colapsen en intervalos frecuentes, dándoles valores definitivos que concuerden con nuestras observaciones del cosmos.
La modificación a la ecuación
En su versión ajustada de la física cuántica, los investigadores eliminaron la distinción entre objetos sujetos a medición y dispositivos de medición. En su lugar, propusieron que el estado de cada sistema experimente un colapso espontáneo en intervalos regulares, lo que lleva a la adquisición de valores definitivos para algunos de sus atributos.
Para sistemas grandes, el colapso espontáneo ocurre con frecuencia, lo que los hace aparecer como clásicos. Los objetos subatómicos que interactúan con estos sistemas se convierten en parte de ellos, lo que lleva a un rápido colapso de su estado y la adquisición de coordenadas definitivas, similares a una medición.
«Sin ninguna acción de entidades externas, cualquier sistema se localiza (o colapsa) espontáneamente en un estado particular. En lugar de tener un gato muerto Y vivo, uno lo encuentra muerto O vivo», dijo Carlesso.
El nuevo modelo puede explicar por qué la geometría espacio-temporal de nuestro universo no existe en una superposición de estados y sigue las ecuaciones clásicas de la relatividad de Einstein.
Un gato, junto a un matraz con veneno y un dispositivo con una partícula radiactiva, dentro de una caja sellada. Si el dispositivo detecta radiación romperá el frasco, liberando el veneno que matará al gato. Según la interpretación de Copenhague, después de un tiempo, el gato está al mismo tiempo vivo y muerto.
«Nuestro modelo describe un universo cuántico, que eventualmente colapsó convirtiéndose así en efectivamente clásico», detalló el físico. «Mostramos que los modelos de colapso espontáneo pueden explicar el surgimiento de un universo clásico a partir de una superposición cuántica de universos, donde cada uno de estos tiene una geometría espacio-temporal diferente».
Si bien esta teoría puede explicar por qué el universo parece estar gobernado por leyes físicas clásicas, no hace nuevas predicciones sobre procesos físicos a gran escala. Aún así, sí hace predicciones sobre cómo se comportarán los átomos y las moléculas, aunque con desviaciones mínimas de la mecánica cuántica convencional.
Como resultado, probar su modelo cuántico modificado no será tan simple. El trabajo futuro estará dirigido a idear tales pruebas.
«Junto con colaboradores experimentales, estamos tratando de probar los efectos de las modificaciones del colapso o derivar límites en sus parámetros. Esto es completamente equivalente a probar los límites de la teoría cuántica», concluyó Carlesso.
Fuente: Live Science. Edición: MP.
