La Nueva Teoría que Resuelve la Paradoja del Gato de Schrödinger Afirma que Vivimos en un Multiverso

En 1935, el físico de origen austríaco Erwin Schrödinger planteó un experimento mental que ponía de manifiesto un problema fundamental en el corazón de la mecánica cuántica. Este problema persiste hasta hoy, resumido en la idea aparentemente absurda de Schrödinger de un gato que existe en un estado indefinido entre la vida y la muerte.

Físicos teóricos de la Universidad Autónoma de Barcelona en España creen que finalmente podrían tener una explicación de por qué el gato de Schrödinger siempre aparece en un solo estado una vez que se le observa. Su propuesta se basa en gran medida en la suposición de que cada posibilidad de un sistema cuántico constituye un universo en sí mismo, un concepto conocido como la teoría de los muchos mundos.

A partir de esta idea, Philipp Strasberg, Teresa E. Reinhard y Joseph Schindler utilizan principios fundamentales para demostrar cómo el entrelazamiento de partículas en un entorno existente arrastra al gato de Schrödinger fuera de su propia ecuación, determinándolo como definitivamente vivo o muerto, pero nunca en un estado intermedio.

Los Orígenes de la Incertidumbre Cuántica

Algunos de los primeros debates en la física cuántica giraron en torno a las formas de interpretar la incertidumbre. En palabras de Albert Einstein, Dios «no juega a los dados«. Mientras que las combinaciones de estados de partículas se ven forzadas a una gama de posibles destinos en el papel, existen como absolutos físicos incluso cuando nadie está mirando… ¿verdad?

Pues no. Un siglo después, la deidad metafórica de Einstein sigue lanzando los dados en un juego cósmico, y los físicos aún están discutiendo lo que esto significa más allá de los cálculos abstractos. Un intento de dar sentido a esta distinción en las realidades es imaginar todas las posibilidades de los estados de una partícula como igualmente válidas, cada una representando su propio universo privado. De estos muchos mundos, solo uno se entrelaza con el nuestro cuando se encuentra con nuestra propia red de posibilidades establecidas, ganándose el derecho a ser considerado «real».

En la demostración numérica del equipo, la enorme escala de interacciones se construye rápidamente de manera que suprime las posibilidades hasta que solo quedan estados únicos. En otras palabras, dada la complejidad del Universo que rodea al gato de Schrödinger, que incluye la caja, los observadores, el edificio en el que se encuentran y mucho más, las interacciones que crecen rápidamente entre el entorno y los estados vivo y muerto a lo largo del tiempo significan que los dos no aparecerán como una mezcla.

De hecho, esta fusión de mundos ocurre a un nivel tan pequeño y tan rápido que relativamente pocas partículas pueden eliminar la ambigüedad de un estado indeciso, haciendo que la niebla cuántica desaparezca en las escalas más pequeñas. «Dado que los objetos de la vida cotidiana contienen un gran número de partículas, esto explica por qué el multiverso no es directamente perceptible para nosotros», escribe el equipo en su artículo.

Implicaciones y Limitaciones de la Teoría

¿Problema resuelto, verdad? Sí y no. Si bien la hipótesis nos ayuda a visualizar la selección de un solo estado de una lotería de innumerables posibilidades, la explicación aún se basa en asumir que todos los universos se comportan de esta manera. Esos universos tampoco tienen en cuenta las complejidades de la relatividad general.

Aún podría imaginarse que la combinación correcta de estados entrelazados podría generar una mezcla de gato vivo y gato muerto, o al menos, no se descarta. También queda la cuestión de hasta dónde puede ejercer influencia el azar cuántico en una realidad macroscópica como la nuestra. No obstante, no es la primera vez que físicos teóricos sugieren la necesidad de incluir imágenes a mayor escala de los estados existentes para entender por qué una ambigüedad cuántica indecisa se resuelve repentinamente en una sola medición.

El gato de Schrödinger seguirá siendo un enigma en la física por un tiempo, girando en su tumba como la metáfora perfecta de un campo de la física que sigue siendo rico en posibilidades. Esta investigación se publicó en Physical Review X.

Desarrollo Detallado de la Teoría

El Experimento Mental del Gato de Schrödinger

El experimento mental del gato de Schrödinger es un ejemplo clásico que ilustra la extrañeza de la mecánica cuántica. En este experimento, se imagina un gato encerrado en una caja junto con un mecanismo que libera un veneno si un átomo radiactivo se desintegra. Según la mecánica cuántica, el átomo se encuentra en una superposición de estados, es decir, se encuentra tanto desintegrado como no desintegrado hasta que se observa. Esto implica que el gato, conectado al destino del átomo, también se encuentra en una superposición de estados, estando tanto vivo como muerto al mismo tiempo, algo que no ocurre en la vida cotidiana.

Esta paradoja surgió como una crítica a la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, que afirmaba que la observación era necesaria para «colapsar» la función de onda y que el sistema cuántico tomara un estado definido. La paradoja del gato de Schrödinger expone la dificultad de aplicar los principios de la mecánica cuántica a los objetos macroscópicos.

La Teoría de los Muchos Mundos

La teoría de los muchos mundos (TMM), también conocida como la interpretación de Everett, propone que no hay colapso de la función de onda. En lugar de eso, cada vez que se produce una medición cuántica, el universo se divide en múltiples ramas, cada una representando una de las posibles salidas. En el caso del gato de Schrödinger, el universo se dividiría en dos ramas: una donde el gato está vivo y otra donde el gato está muerto. Cada rama es considerada como un universo diferente, y nosotros, como observadores, solo experimentamos una de esas ramas. Esta teoría evita el problema del colapso de la función de onda, pero a costa de una enorme proliferación de universos.

La TMM ha sido objeto de controversia desde su concepción. Una de las críticas más comunes es su falta de capacidad para ser verificada experimentalmente. Sin embargo, algunos físicos encuentran esta teoría atractiva porque elimina la necesidad de una interpretación especial de la medición cuántica, simplemente permitiendo que la ecuación de Schrödinger se desarrolle sin interrupción.

El Nuevo Enfoque de los Físicos de Barcelona

El equipo de físicos de la Universidad Autónoma de Barcelona ha tomado la TMM como punto de partida, pero ha añadido un componente crucial: el entrelazamiento. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el cual dos o más partículas se relacionan de tal manera que el estado de una afecta instantáneamente el estado de las demás, sin importar la distancia que las separe. Los investigadores han argumentado que la interacción del gato de Schrödinger con su entorno, compuesto por innumerables partículas entrelazadas, hace que los posibles estados del gato se separen rápidamente y se definan en un solo estado.

En su estudio, han empleado primeros principios para demostrar que las interacciones entre el gato y el entorno crecen exponencialmente, suprimiendo rápidamente las posibles superposiciones de estados. Según esta visión, las interacciones con el entorno hacen que solo una de las ramas del universo, en la que el gato está vivo o muerto, se vuelva «real» para el observador. Así, el entrelazamiento y las interacciones con el entorno se convierten en el mecanismo que explica la selección de un solo estado del gato y resuelve la paradoja.

Entendiendo el Entrelazamiento y su Rol

El entrelazamiento cuántico es un concepto fundamental en la mecánica cuántica, donde dos o más partículas se entrelazan de tal manera que sus estados se correlacionan instantáneamente, sin importar la distancia entre ellas. En términos más sencillos, si se mide una propiedad de una de las partículas, el estado de las otras partículas se determina inmediatamente, sin necesidad de comunicación física. Este fenómeno desafía nuestra comprensión clásica de la realidad y la localidad. En el contexto de la paradoja del gato de Schrödinger, el entrelazamiento es esencial para la teoría de los físicos de Barcelona porque es a través de las interacciones con el entorno y el entrelazamiento que las superposiciones de estados se «desenredan» rápidamente, llevando a una observación de un estado definido.

La Supresión de la Superposición de Estados

Según esta nueva teoría, la supresión de las superposiciones de estados no ocurre de manera abrupta por el acto de observación, sino gradualmente por las interacciones con el entorno. La complejidad del entorno, compuesto por una gran cantidad de partículas entrelazadas, hace que el sistema del gato evolucione rápidamente hacia un estado definido. El entrelazamiento entre el gato y su entorno aumenta con el tiempo, haciendo que la superposición de estados sea cada vez menos probable hasta que se vuelve prácticamente imposible. En términos de la TMM, esto significa que aunque existen múltiples ramas del universo, la interacción con el entorno solo hace que una de ellas sea perceptible y real para el observador.

Implicaciones para la Percepción del Multiverso

Un aspecto notable de la teoría es que ayuda a explicar por qué no percibimos directamente el multiverso. Dado que los objetos de nuestra vida cotidiana están compuestos de una enorme cantidad de partículas, las interacciones con el entorno son tan frecuentes que las superposiciones de estados se suprimen rápidamente. Esto hace que los objetos macroscópicos aparezcan en un estado definido, lo que nos impide observar directamente los otros mundos.

En otras palabras, aunque el multiverso existe según esta teoría, sus efectos se manifiestan en escalas cuánticas y se «ocultan» en la realidad macroscópica debido a la supresión de la superposición de estados por el entrelazamiento con el entorno. A pesar de ello, los principios de la mecánica cuántica, cuando se aplican de manera consistente, nos llevan a una concepción de la realidad mucho más rica y compleja que la que podemos observar a diario.

Limitaciones y Preguntas Abiertas

A pesar de ser una explicación innovadora para la paradoja del gato de Schrödinger, esta nueva teoría no está exenta de limitaciones. Por un lado, se basa en la suposición de que todos los universos siguen los mismos principios, algo que no se ha demostrado ni se sabe si es cierto. Por otro lado, la teoría no considera las complejidades de la relatividad general, la cual describe el comportamiento de la gravedad y el universo a gran escala. Es posible que la interacción entre la mecánica cuántica y la relatividad general sea necesaria para comprender completamente la naturaleza de la realidad.

Además, quedan preguntas abiertas sobre la extensión de la influencia del azar cuántico en la realidad macroscópica y la posibilidad de que, en ciertas condiciones extremas, las superposiciones de estados se mantengan en objetos macroscópicos. Estos interrogantes invitan a la investigación continua en el campo de la física cuántica y la cosmología.

Conclusión

La propuesta de los físicos de Barcelona, que combina la teoría de los muchos mundos con el concepto de entrelazamiento y la interacción con el entorno, representa un paso adelante en la comprensión de la paradoja del gato de Schrödinger. Si bien no es una explicación definitiva, esta teoría nos ofrece una visión intrigante sobre cómo las posibilidades cuánticas se convierten en la realidad que observamos. Al mismo tiempo, abre la puerta a la exploración de nuevas preguntas sobre la naturaleza del universo y nuestro lugar en él.

El gato de Schrödinger seguirá siendo una fuente de inspiración y debate en la física, demostrando la naturaleza enigmática y fascinante de la mecánica cuántica y los desafíos que presenta a nuestra intuición. Cada avance en nuestra comprensión de este enigma nos acerca un poco más a una concepción más completa de la realidad.