¿Tiene algún efecto la mecánica cuántica a escala humana? Aclarando algunas cosas sobre el “gato de Schrödinger”

Hace unos días, en el programa de La Vida Moderna, David Broncano sacó el tema del gato de Schrödinger, el famoso experimento mental relacionado con la mecánica cuántica en el que se mete un gato en una cámara que contiene un dispositivo que tiene el 50% de probabilidades de matarlo tras un periodo de tiempo determinado. Hasta ahí todo bien pero, a continuación, según cómo os lo explicaran, es posible que os dieran entender que, como somos incapaces de ver qué pasa dentro de la caja durante el experimento, el gato estará vivo y muerto a la vez hasta que alguien abra la caja para comprobarlo… Y será en ese momento en el que adopte un estado u otro.

¿Pero qué paparrucha es esta? ¿Hoy tocaba actualizar la sección de “Patrañas” y no me he dado cuenta? 

Pues tendría cabida en “Patrañas” perfectamente, voz cursiva, pero no porque la mecánica cuántica y la analogía del gato de Schrödinger no sean ciencia seria, sino porque hay gente que interpreta ambas como le da la gana para justificar sus ideas esotéricas absurdas, desde quienes van diciendo por ahí que la mecánica cuántica demuestra que nosotros mismos creamos la realidad al observarla hasta los charlatanes que intentan convencerte de que las enfermedades tienen un origen cuántico.

Pero hoy no me voy a centrar en desmentir ninguna patraña cuántica en particular porque creo que, para ver por dónde pierden agua todas ellas, basta con entender qué quería transmitir realmente el bueno de Schrödinger con su experimento mental gatuno. Aunque, por supuesto, antes de empezar habrá que ver de qué va eso de la mecánica cuántica.

<ironía> Bieeeen… </ironía>

Bueno, si no tienes ganas de leer, en la serie de vídeos que dejo enlazada aquí comenté con más detenimiento los detalles históricos de lo que voy a explicar a continuación. Pero, teniendo en cuenta la calidad técnica de mis primeros vídeos, creo que te sale más a cuenta seguir leyendo.

En resumidas cuentas, a principios del siglo XX los científicos se estaban dando cuenta de que el modelo planetario de los átomos (el núcleo compuesto por dos tipos de bolas, orbitado por otras bolas más pequeñas) no tenía pinta de describir correctamente la realidad. En su lugar, el comportamiento de los átomos se podía predecir con mayor precisión si se asumía que, en vez de dar vueltas alrededor del núcleo atómico como los planetas giran alrededor del sol, los electrones rodeaban el núcleo como si fueran ondas estadísticas, sin una posición exacta definida en ningún momento. De esta exitosa y extraña idea nació la mecánica cuántica.

Dicho de otra manera, en vez de describir el movimiento de los electrones con unas órbitas circulares de un tamaño determinado, la mecánica cuántica los trata como si fueran una especie de “nube” con carga eléctrica negativa que representa las regiones en las que es más probable encontrarlos alrededor del núcleo atómico. Estas regiones, determinadas por la llamada función de onda, no son órbitas planas las del modelo planetario, sino distribuciones tridimensionales que tienen formas distintas en función de cómo estén estructuradas las cargas eléctricas del átomo.

Esta también es la razón por la que el sistema solar no es un átomo gigante, como comentaba en esta otra entrada.

Pero los electrones no se comportan de manera estadística siempre: abandonan su forma de onda en el momento en el que interactúan con alguna otra onda o partícula y su posición se revela durante un instante. En entonces cuando se dice que su función de onda se ha colapsado. De hecho, si os suena haber escuchado alguna voz de documental diciendo que una partícula existe en todos los estados posibles hasta que se observa, se refería precisamente a que su comportamiento está mejor definido por una función estadística mientras nada interaccione ella.

Ah, sí, eso lo había oído. Y también había oído que precisamente ese es el motivo por el que, según la mecánica cuántica, las cosas no existen como tales a menos que las observemos. Y por eso la conciencia humana es el motor que genera el universo y…

Eh, para el carro, voz cursiva, que la mecánica cuántica no sugiere nada de eso.

¿Cómo que no? Pero si has dicho que las partículas no tienen un estado definido hasta que las observas.

Ya, bueno, pero es que ahí está el primer error que mucha gente comete cuando escucha hablar sobre la mecánica cuántica: en este contexto, la palabra observación no se refiere literalmente al acto de mirar.

En física, una observación es cualquier interacción que revele información sobre el estado de una partícula. En este sentido, nuestro entorno está siendo observado todo el rato porque los elementos que nos rodean no paran de interactuar entre ellos de una manera u otra: las moléculas que componen el aire están chocando constantemente, los átomos que nos rodean emiten y absorben radiación infrarroja y la gravedad terrestre lo mantiene todo pegado al suelo, por poner algunos ejemplos. En todos los casos, se trata de fenómenos que revelan información sobre el estado de nuestro entorno y que tienen lugar incluso aunque no haya nadie para observarlos.

Para poner un ejemplo algo más completo, es como si te dijeran que la Luna deja de existir cuando no la puedes ver en el cielo: incluso aunque fueras el único ser consciente que quedara sobre el planeta, la información sobre la presencia de la Luna seguiría estando a tu alrededor debido su influencia gravitatoria sobre la Tierra (como las mareas, tanto terrestres como acuáticas).

O sea, que si alguien os intenta colar alguna interpretación mística de la mecánica cuántica basada en esta confusión (intencionada o no) del término “observación”, podéis mandarle a freír espárragos cuánticos con la conciencia tranquila. Y especialmente si os intenta vender algo, porque no es más que otro charlatán.

Bueno, vale, hay gente que utiliza el término “observación” muy a la ligera. Pero los electrones se pueden comportar como ondas estadísticas aunque tengan masa, así que no veo ningún motivo por el que los objetos que nos rodean, que también tienen masa, no se puedan comportar igual.

Pues lo siento mucho, voz cursiva, pero esos motivos existen. De hecho, en las ecuaciones que definen la función de onda se puede encontrar la razón por la que el comportamiento de los objetos macroscópicos no se ve influenciado por los fenómenos cuánticos.

El modelo cuántico apareció cuando el físico Louis de Broglie se dio cuenta de que a las partículas con masa se les podían asignar longitudes de onda, igual que las ondas electromagnéticas (como la luz). Pero, mientras la longitud de onda de un rayo de luz determina su energía (y depende de su frecuencia y de la velocidad de la luz), la longitud de onda asociada a una partícula determina la escala en la que ésta se comportará como una onda. En este caso, la cifra está definida tanto por el momento de la partícula como de la constante de Planck.

Y precisamente esa constante es el segundo motivo por el que no encuentras los muebles en una posición diferente cada vez que entras en el salón.

Resulta que cualquier objeto con masa se comportará como una onda estadística sólo si el tamaño de la longitud de onda que tiene asociada es mayor que el espacio que ocupa. Por ejemplo, la longitud de onda que corresponde a los electrones no sólo es mucho mayor que las propias partículas, sino que su tamaño ronda el de los alrededores de los núcleos atómicos a los que dan vueltas. Por tanto, los electrones se comportan como les dicta su función de onda dentro de esta región, formando los átomos tal y como los conocemos.

Pero, como la constante de Planck es un número extremadamente pequeño, a los objetos macroscópicos (mucho más masivos que los electrones) les corresponden longitudes de onda que tienen un tamaño mucho menor que el diámetro de un átomo. Por tanto, la región en la que los objetos que nos rodean se tendrían que mover para presentar un comportamiento estadístico es tan extremadamente pequeña que nunca podrían caber en ella. Por tanto, los efectos cuánticos no tienen ninguna influencia sobre ellos.

Y ese es el motivo principal por el que, a escala macroscópica, las cosas no se comportan según las leyes de la mecánica cuántica. Espero que con eso haya quedado claro por qué no puedes observar estos fenómenos en tu día a día, voz cursiva.

Mmmm… Creo que sí. Pero, entonces, ¿para qué diablos sirve el experimento del gato de Schrödinger, si estas cosas no pasan en la vida real? ¿Qué se supone que intentaba demostrar este señor?

Es que Schrödinger utilizó la analogía del gato y la caja precisamente para demostrar lo absurdo que es intentar aplicar a al mundo macroscópico la incertidumbre de la función de onda que define lo que pasa a nivel subatómico. De hecho, las primeras palabras de su famoso ejemplo (dejo la versión original traducida del alemán al inglés en este enlace) revelaban esa intención:

“Incluso se pueden plantear situaciones bastante absurdas. Un gato se coloca dentro de una cámara de metal junto con el siguiente dispositivo […]: en un contador Geiger hay una cantidad diminuta de una sustancia radiactiva, tan pequeña, que tal vez un sólo átomo se desintegre en el transcurso de una hora, pero además, con la misma probabilidad, a lo mejor no se desintegra ninguno. Si alguno lo hace, […] se libera un martillo que rompe un frasco lleno de ácido cianhídrico [un veneno muy potente]. Si se ha dejado este sistema por su cuenta durante una hora, cualquiera diría que el gato seguirá vivo si ningún átomo se ha desintegrado. La función de onda del sistema entero expresaría [la situación] incluyendo al gato vivo y muerto mezclados a partes iguales.”

Y, para terminar de aclarar lo distinto que es el dominio subatómico de nuestra experiencia diaria, añadía:

“En estos casos, una indeterminación originalmente restringida al dominio atómico se convierte en una indeterminación macroscópica que se puede resolver a través de la observación directa. Eso impide que aceptemos como válido un “modelo borroso” para representar la realidad, aunque en sí mismo no exprese nada poco claro o contradictorio. Hay una diferencia entre una fotografía movida y desenfocada y una foto de las nubes o la niebla.”

O sea, que el experimento mental de Schrödinger no intenta afirmar que las cosas que nos rodean (gatos incluidos) existen en dos estados a la vez mientras nadie las observa. Simplemente sirve para ilustrar lo poco intuitivo que es el comportamiento estadístico que rige algunas partículas subatómicas si se compara con el de las cosas que nos rodean en nuestra escala… Y lo complicado que puede resultar aceptar la idea.

Bueno, vale, pero hay una última cosa que aún me carcome por dentro. ¿Qué significa exactamente que la posición de los electrones esté determinada por una función de onda estadística? ¿Que no existen en ningún sitio hasta que los miras? ¿Que existen en todos los sitios a la vez? 

Es una muy buena pregunta, voz cursiva. De hecho, es el tercer motivo por el que no tiene sentido extrapolar los principios de la mecánica al “mundo real”: la función de onda es sólo un modelo matemático que ayuda a predecir el comportamiento de los electrones con gran precisión pero, de momento, nadie sabe con seguridad cuál es su significado real.

Eso no quita que existan diferentes interpretaciones del fenómeno.

Por ejemplo, la llamada interpretación de Copenhague sugiere que, en efecto, las partículas que presentan este comportamiento se encuentran realmente en una superposición de todos sus estados posibles hasta que son observadas (léase “interaccionan con algo“) y sólo entonces deciden qué estado en concreto tomar. Otra interpretación famosa es la de los muchos mundos, en la que las partículas existen en una superposición de todos los estados posibles pero, tras su observación, en vez de adoptar un sólo valor, el universo se divide en tantas realidades diferentes como posibles estados del sistema existían.

En cualquier caso, creo que el físico de partículas Eric Cavalcanti describió muy bien la situación en esta entrevista:

La función de onda es uno de los elementos fundamentales de la mecánica cuántica […], pero existe un debate de un siglo de antigüedad sobre qué significa la función de onda. Si te tomas el concepto literalmente, significa que una partícula puede estar en dos sitios al mismo tiempo o que dos objetos distantes pueden conectarse de manera instantánea, además de otras propiedades intrigantes. Así que existe este debate sobre si [la función de onda] representa una propiedad objetiva del sistema o sólo la información limitada que tenemos sobre él. En otras palabras: ¿el electrón realmente se encuentra en dos sitios a la vez, o está en uno de los dos sitios, pero no sabemos cuál?

O sea que, aunque la interpretación estadística de la mecánica cuántica es una herramienta muy útil que ha demostrado un gran éxito a la hora de predecir el comportamiento de los electrones, ni siquiera la gente que está familiarizada con esta rama de la ciencia, los físicos que trabajan con ella a diario, sabe con seguridad en qué se traducen las funciones de onda en la vida real… Así que ya podéis imaginar cuánta verdad hay tras las interpretaciones esotéricas de todos los “gurús cuánticos” que campan a sus anchas diciendo barbaridades (como el iluminado de Deepak Chopra, por poner un ejemplo bastante conocido).

En fin, hasta aquí la entrada de hoy y, para variar, aquí vienen las informaciones rutinarias de Ciencia de Sofá.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

 

PD: Escribí otra entrada sobre el gato de Schrödinger hace mucho, mucho tiempo (cuando aún hablaba en plural), pero el programa del otro día me recordó que hacía tiempo que quería volver a hablar sobre el tema, porque me da la impresión de que en su momento no aclaré nada.

26 pensamientos en “¿Tiene algún efecto la mecánica cuántica a escala humana? Aclarando algunas cosas sobre el “gato de Schrödinger””

    1. No la razón es la misma. Los núcleos se componen de partículas con mayor masa ( protones y neutrones). La masa de un protón es ~1000 veces mayor a un electrón por lo que su longitud de onda es 1000 veces mas pequeña. Por eso esta concentrada en ese punto llamado núcleo.

  1. Ahora comprendo por qué Stephen Hawking afirmaba que, cada vez que oía mencionar al gato de Schrödinger, le entraban ganas de liarse a tiros.

  2. Hola Jordi gran articulo, y muy didactico. Pero dos pequeños matices.
    Si no recuerdo mal el que sugiere que la materia se puede comportar como onda es Louis De Broglie.
    El segundo es que si que se pueden apreciar efectos cuánticos en el mundo macroscópico, es la base de la nanotecnologia.
    Saludos y sigue explicando ciencia desde tu sofa.

    1. En efecto, fue De Broglie, gracias! No estoy seguro del todo de lo que quieres decir con el segundo matiz pero, en cuanto a lo de la nanotecnología, una cosa es que un sistema macroscópico se aproveche de las leyes de la mecánica cuántica que rigen los electrones que contiene y otra distinta es que esas leyes se apliquen al sistema macroscópico en sí (que es a lo que me refiero en el artículo). Un saludo!

      1. Hola Jordi, me explico mejor en el segundo matiz.

        Como bien das a entender la mecánica cuántica son un conjunto de leyes. No es solo que la materia tenga asociada una onda.
        Mi matiz era porque tal como estableces el enunciado del artículo:

        TIENE ALGÚN EFECTO LA MECÁNICA CUÁNTICA A ESCALA HUMANA? La respuesta correcta es si.

        Porque solo se puede explicar las propiedades de los materiales con alguna dimensión en la escala nanométrica (base de la nanotecnología) mediante la mecánica cuántica. Eso no quiere decir que tenga que cumplir todas las reglas de la misma, pero no es posible entenderlas sin alguna de sus reglas.

        Por ejemplo que el Oro a escala nanométrica se pueda comportar como un semiconductor es imposible explicar si no se tiene en cuenta las reglas de la mecánica cuántica.

        Que el grafeno conduzca la electricidad no se puede explicar si no consideras la combinanción de los distintos orbitales p que tiene cada uno de los átomos de carbono y esto sale de la mecánica cuántica.

        Espero que ahora quedara claro mi matiz.

        Saludos y lo dicho estas haciendo una labor en la divulgación científica muy importante.

    2. El autor del artículo no niega la existencia de los fenómenos cuánticos en el microcosmos. Si he entendido bien, lo que afirma es que, en el macrocosmos en el que tiene lugar nuestra existencia, los fenómenos naturales son perfectamente explicables valiéndonos de la mecánica de Newton, y, en casos extremos, sirviéndonos de la TR. No obstante, aunque inexistentes, las fluctuaciones cuánticas en nuestro universo son teóricamente posibles, y eso es un “salto cuántico” en nuestra percepción de la realidad.

  3. ¡¡¡Gracias, gracias!!!
    ¿Serías capaz de explicar qué es el spin (en el contexto de la función de onda) con esta simplicidad? ¿Y cómo se mide?

    1. Buen trabajo. Lo he leido con interes y volveré a leerlo. Creo que la mecánica cuántica supone un reto para nosotros. Reflexionando sobre éste asunto, hace tiempo, recorde la figura de Eratostenes quien calculo la redondez de la tierra en un mundo donde no era tan evidente que esto fuera cierto (para algunos aun no lo es). Para un contemporaneo suyo, esto podria ser una estupidez o “ciencia inutil”. Hoy sabemos que no era asi. Tal vez con la mecánica cuántica ocurra igual.
      Un excelente articulo. Gracias.

  4. Excelente artículo. Gracias.
    Sin embargo, una de las cosas que me ha dejado con ganas de saber más es cuando has dicho que no ibas a centrarte en desmentir a los que dicen que la mecánica cuántica demuestra que nosotros mismos creamos la realidad al observarla ni a los charlatanes que intentan convencerte de que las enfermedades tienen un origen cuántico.
    Estaría bien que cuando tuvieses tiempo te dedicases a escribir un artículo sobre esto. Creo que es un gran desafío. De hecho, creo que es imposible demostrarlo; ahí está el quid de la cuestión.
    Gracias de nuevo.

  5. La prueba de la existencia de “listos”, voz cursiva, que se dedican a insultar y a no respetar a los que no piensan como ellos, aprovechando que hay personas con otra opinión de las cosas para rellenar líneas y líneas. Y digo yo, de que escribirias si todos fuésemos igual de “listos”, voz cursiva otra vez… , que tu?

    PD: si tienes valor de publicar esto te aplaudo

  6. Creo que:la teoría cuántica es el enunciado, y la mecánica cuántica las partes,las herramientas, las cuales nos llevan al conocimiento sutil del universo en su composición ” alma,energía, espíritu,….hasta aquí llego, porque hemos sido creado para entender solo esto.

    1. Al que piensa que hemos sido creados no le hace falta devanarse los cesos con todas estas cuestiones pues ya tiene todas las respuestas del universo comprimidas en una sola palabra. Dios! Eso también explica la estadística religiosa en el mundo, la gente no se lleva bien con el razonamiento.

  7. Entonces toda esta confusión por una explicación que no era necesaria y mucho menos clara, me refiero a la dichosa paradoja del gato. Es decir, es meramente un ejemplo de probabilidad. Me niego a creer en la incompetencia de los físicos para exponer sus problemas.

  8. Según la ecuación de Louis de Broglie, un cuerpo con una velocidad arbitrariamente cercana a 0 tendría una longitud de onda asociada arbitrariamente grande. Entonces, ¿no se podrían observar efectos cuánticos en un objeto macroscópico si éste está quieto?

  9. “En física, una observación es cualquier interacción que revele información sobre el estado de una partícula. En este sentido, nuestro entorno está siendo observado todo el rato porque los elementos que nos rodean no paran de interactuar entre ellos de una manera u otra: las moléculas que componen el aire están chocando constantemente, los átomos que nos rodean emiten y absorben radiación infrarroja y la gravedad terrestre lo mantiene todo pegado al suelo, por poner algunos ejemplos. En todos los casos, se trata de fenómenos que revelan información sobre el estado de nuestro entorno y que tienen lugar incluso aunque no haya nadie para observarlos.”
    Por esa regla de tres el experimento de las dos rendijas no funcionaría, estaría siempre observado.

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