La mascota preferida de Schrödinger

De seguro ya escuchaste sobre el gato de Schrödinger en alguna parte, y si no es así te cuento la historia:

Érase una vez un físico alemán llamado Schrödinger. El señor Schrödinger era amante de la física cuántica y de los gatos y, por aquel entonces, andaba muy atareado tratando de explicar ciertos fenómenos cuánticos bastante peculiares. Decidió coger al gato y encerrarlo en una caja en la que, además del minino, había una partícula radioactiva y cierta dosis de veneno. La partícula tenía la probabilidad del 50% de desintegrarse durante una hora y si la partícula se desintegraba, una pequeña dosis de veneno caía en el plato de comida del gato y el felino moría. Si no había desintegración, el gato lograba salir sano y salvo de aquella caja de los horrores.

El señor Schrödinger empezó a realizar el experimento y, pasada una hora, se planteó la siguiente pregunta: ¿Está vivo o está muerto el gato? La respuesta a esa pregunta, según la teoría cuántica, es que el gato, mientras no hay ningún observador que le esté mirando, se halla suspendido en un estado de vida-y-muerte simultáneas y únicamente cuando el observador se decide a mirar lo que le sucede al gato, el gato colapsa en un estado de vida o en un estado de muerte, saliendo así de ese estado de indeterminación.

La mecánica cuántica (o mecánica ondulatoria) es una de las principales ramas de la física que intenta explicar el comportamiento de la materia. Su campo de aplicación es, básicamente, el mundo de lo más pequeño, y sus predicciones divergen radicalmente de la llamada física clásica, por lo que suelen desafiar el sentido común. Una de golpes más duros que proporciona la mecánica cuántica a nuestra concepción “clásica” del mundo se debe a la dualidad onda-partícula.

Resumiendo bastante, y pidiendo perdón a mis colegas físicos por ello, podemos explicar esta dualidad diciendo que los científicos notaron, hace ya unos cien años, que bajo ciertas condiciones experimentales los electrones y demás partículas mostraban un comportamiento ondulatorio. Esto explicaba los resultados de muchos experimentos, como la interferencia. Pero bajo otras condiciones, las mismas partículas se comportaban como si fuesen corpúsculos, como en la dispersión de partículas. Esta dualidad, demostrada experimentalmente hasta el hartazgo, hizo necesaria una revisión de un buen número de supuestos. Por ejemplo, ya no era posible hablar de cosas tales como “trayectoria”. En efecto, al ser imposible determinar la posición y el momento de una partícula, es imposible sostener un concepto como el de la trayectoria, que es vital para la mecánica clásica. En la mecánica cuántica, el movimiento de una partícula queda determinado por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y del tiempo, una probabilidad determinada de que se halle tal o cual posición. A partir de esa función (la “función de ondas”) pueden extraerse todas las magnitudes del movimiento necesarias.

Afortunadamente, a nivel macroscópico estos efectos son absolutamente irrelevantes. Por ejemplo, si bien una partícula tiene una probabilidad mensurable (y a veces bastante elevada) de atravesar una barrera a pesar de no tener la energía suficiente para ello, es absolutamente improbable (pero no imposible, al menos matemáticamente) de que una persona atraviese una pared sólida. Esto se debe a que la persona (y también la pared) está formada por una colección enorme de partículas, cada una de ellas con una pequeña probabilidad de atravesar el muro. La probabilidad de que la persona termine del otro lado de la pared es básicamente el producto entre todas las probabilidades individuales. Al tratarse de un producto de un número enorme de términos (y todos menores a “1”) la probabilidad de ver efectos cuánticos en objetos macroscópicos es -por decirlo de alguna forma- muy pequeña.

Esta superposición de estados es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la materia y su aplicación a sistemas macroscópicos -como un gato- es lo que nos lleva a paradoja propuesta por Schrödinger. De hecho, la sola idea de la existencia de un “gato medio vivo” es un atentado contra el sentido común. A lo largo de su vida Erwin Schrödinger fue interrogado tantas veces sobre este experimento mental, que casi podemos entender cómo se sentía cuando dijo “cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola”. 

Y asi es como el gato de Schrödinger se volvió el gato mas famoso de todos…


La famosa dualidad onda-partícula 

En los primeros años del siglo XX se produjo una revolución extraordinaria en la física con el nacimiento de la mecánica cuántica, pero también se abrió un campo plagado de grandes interrogantes que nos mantienen intrigados a muchos físicos.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes fue que la luz, además de ser una onda, también se comportaba como una partícula. Pero más sorprendente aún fue la generalización que se le ocurrió al físico francés Louis-Victor de Broglie, en 1924: si la luz es una onda y una partícula a la vez, ¿podría ser que las partículas que conocemos en realidad también son ondas? De esta manera los electrones, los protones, los átomos, incluso las moléculas, además de ser partículas -o “compuestos” de partículas- también serían ondas. Estamos ante la famosa dualidad onda-partícula. 

Esta extraña hipótesis planteaba muchas contradicciones, pues, según la creencia de la época, una partícula y una onda eran cosas opuestas. Una onda se caracterizaba por no tener masa y extenderse por el espacio, mientras que una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Sin embargo, varios experimentos demostraron que de Broglie tenía razón y la naturaleza no era tan simple, obligando a los científicos a rehacer el concepto de onda y partícula. 

La doble rendija 

Uno de los experimentos más interesantes es el experimento de la doble rendija, que no sólo muestra que muchas partículas pequeñas también se comportan como ondas, sino que nos permite entender y profundizar sobre el significado de la dualidad onda-partícula. 

El experimento es realmente simple: se hace pasar algo, ya sea luz, electrones, protones, incluso moléculas, a través de dos rendijas paralelas y se hace que colisione contra una placa detectora que registra este choque (por ejemplo, una película fotográfica para el caso de la luz). Pueden ocurrir dos cosas:

1 – Si aquello que pasa por las rendijas se comporta como una onda, al llegar a las dos rendijas la onda se dividirá en dos, una por cada rendija. La onda que surja de una de las rendijas interferirá con la que surja de la otra rendija y cuando llegue al detector éste detectará el resultado de esta interferencia: una serie de franjas -ver siguiente imagen- que nos permitirá inferir que lo que ha pasado a través de la rendija es precisamente una onda.

2 – Si lo que pasa por las rendijas se comporta como una partícula, lo que se verá en el detector será la marca de las dos rendijas, pues las partículas que pasen a través de éstas impactarán en línea recta contra el detector.

Hasta aquí todo parece parece sencillo. 
Ahora bien, ¿qué fue lo que ocurrió cuando se lanzó un haz de partículas a través de las dos rendijas? 

Probemos con electrones:

Una de las primeras partículas con las que se hizo el experimento fue con electrones, que, como sabemos, son partículas con carga eléctrica y muy poca masa. El resultado de enviar un haz de estas partículas hacia las dos rendijas fue, ¡un patrón de interferencia! Al principio los científicos pensaron que al lanzar muchos electrones los que pasaban a través de una de las rendijas interferían con las que pasaban por la otra y esto era lo que provocaba el patrón de onda. Así que, para evitar esto, decidieron hacerlos pasar uno a uno. 

El resultado los debió dejar boquiabiertos. Si lanzabas unos pocos electrones a través de las dos rendijas, se observaban unos cuantos puntos en el detector, que representaban los impactos de éstos (imagen a). Sin embargo, a medida que pasaba más tiempo y dejaban que más electrones impactaban el detector, los impactos de cada uno de ellos iba formando una imagen que los científicos conocían muy bien: el patrón característico de una onda.

La única manera de explicar lo sucedido es que el electrón, a medida que viaja y pasa a través de las rendijas, interfiere consigo mismo comportándose como una onda. Pero cuando llega al detector deja de comportarse como una onda y lo hace como una partícula, incidiendo y dejando una marca sólo en un punto del detector.

Posteriormente se repitió el experimento con partículas más grandes, con átomos e incluso moléculas, y el resultado ha sido el mismo: una serie de impactos puntuales, los cuales, tras un número suficientemente grande de éstos, forman un patrón de onda. 

La materia al descubierto 

El experimento de la doble rendija nos muestra cómo es realmente la materia: a medida que el electrón o la molécula viaja pasando a través de las dos rendijas, se comporta como una onda, que llega a interferir consigo mismo. Pero en el momento en el que llega al detector, se produce un solo impacto; una sola interacción en un punto: la onda desaparece y el electrón se comporta como una partícula. 

Queda así desnudada la materia al nivel más elemental: mientras no interaccione será una onda, denominada onda de probabilidad, cuyo movimiento viene descrito por la ecuación de Schrödinger y nos dice en qué regiones del espacio es probable encontrar a la partícula en el momento en que interaccione.

Pero en el momento de la interacción dicha onda desaparece instantáneamente, la probabilidad deja de existir y se materializa un evento, en nuestro caso un impacto en el detector. Es el llamado colapso de la onda de probabilidad. 

Por tanto, el concepto de partícula ya no es una “pelota” que viaja de forma compacta por el espacio hasta que choca con otra. En realidad lo que entendemos como una partícula es en realidad una onda que viaja por el espacio, y que, en el momento en el que interacciona, desaparece instantáneamente y esta onda es sustituida por un evento en un punto del espacio (evento entendido como una transferencia de energía, es decir, un choque, un cambio en el movimiento de dos partículas, etc).

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Publicado el 3 enero, 2013 en Descubrimientos, Explicación, Física, Física Cuantica, Partículas y etiquetado en , , , , . Guarda el enlace permanente. 5 comentarios.

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    Thanks!

  2. Muy buen post! Hiper bien desarrollado, felicitaciones!

    Ahora bien, lo que nos importa a todos es:
    Y el gato estaba vivo? 😀

  3. Como saben si una partícula se comporta como una onda, si solo ven el resultado en la placa detectora. En el transcurso desde la ranuara hasta el detector como ven eso?.

  4. Si una onda es una perturbación en un determinado espacio, ya sea gaseoso, liquido no es algo material es solo el traspaso de energía entre cuerpos como por ejemplo partículas, moléculas ,etc.

  1. Pingback: Paradojas científicas que no conocias « El Factor Ciencia

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