El gato de Schrödinger: ¿qué nos dice esta paradoja?

“Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no entiendes la mecánica cuántica”.

Así se expresaba Richard Feynman, astrofísico estadounidense ganador del Premio Nobel en Física en 1965 y uno de los padres de la mecánica cuántica. Esta rama de la Física, como vemos, es tan increíblemente complicada que ni siquiera los propios físicos que la estudian la entienden totalmente.

Y no es de extrañar, pues a niveles subatómicos, la realidad es muy distinta a la que percibimos en nuestro mundo tridimensional. Es evidente que si nuestro cuerpo está en Nueva York, no puede estar al mismo tiempo en Madrid. Es imposible. Bueno, es imposible en nuestro mundo. Pero cuando llegamos al nivel cuántico, esto deja de ser imposible.

Y en un intento por intentar comprender qué pasa cuando llegamos al nivel de las partículas subatómicas, Erwin Schrödinger, físico (ganador del Nobel en 1933) y filósofo austríaco, ideó una de las paradojas más famosas de la historia de la ciencia: la paradoja del gato de Schrödinger.

Y no. Schrödinger no mató a ningún gato. Pero esta paradoja es, seguramente (ya veremos que lo de que sea un gato poco importa), la mejor manera de explicar algunos de los conceptos más importantes de la mecánica cuántica. Y en este artículo analizaremos todas sus implicaciones.

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Relatividad general y mecánica cuántica: ¿quién es quién?

Todo lo que los humanos percibimos, vemos y sentimos está determinado por las leyes de la relatividad general. Esta teoría, presentada por Albert Einstein en 1915, parte de la base de que espacio y tiempo están relacionados. Tan relacionados que forman un “pack” inamovible que determina todas las leyes del Universo: el espacio-tiempo.

Esto significa que todos los cuerpos macroscópicos del Cosmos se mueven en cuatro dimensiones: tres espaciales (largo, alto y ancho) y una temporal (el tiempo). Esta teoría no solo sirve para explicar fenómenos como la gravedad, que es una deformación del tejido-espacio tiempo provocada por cuerpos con masa, sino que hace que todo lo que pase en el Universo a nivel macroscópico (lo volvemos a reiterar) cuadre perfectamente con las fórmulas matemáticas y deducciones lógicas.

De acuerdo a la relatividad general, si yo estoy en un punto A, no puedo estar al mismo tiempo en un punto B, pues el espacio y el tiempo forman un único conjunto.

Ahora bien, ¿qué pasó cuando fuimos yendo a lo más y más pequeño de la materia? Bueno, al principio, mientras veíamos las células, las moléculas e incluso los átomos, todo parecía ir acorde a las leyes de la relatividad general. Pero cuando llegamos al nivel de las partículas subatómicas, estas leyes no se cumplían.

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Las partículas subatómicas no parecían comportarse de acuerdo a las leyes de la relatividad general. Conformaban, básicamente, otro mundo. Un mundo más allá de lo microscópico en el que un mismo cuerpo podía comportarse tanto como una partícula como una onda. Y un mismo cuerpo podía estar en dos sitios a la vez. No siendo dos copias, no. El mismo, pero en dos lugares distintos y al mismo tiempo.

Esto, que desde nuestra inteligencia limitada por las leyes de la relatividad general donde nos movemos no tiene ningún sentido, es lo que parece suceder en el Universo subatómico. Esto hizo que, ya en la década de los años 30, los principios de la mecánica cuántica estuvieran formulados. Unos principios que, como veremos, se escapan de nuestra comprensión.

Pero, ¿cómo es posible que haya una frontera tan grande entre las leyes del mundo macroscópico y las del subatómico si toda la materia macroscópica está compuesta de partículas subatómicas? Buena pregunta. Esto es lo que los físicos teóricos llevan más de 80 años intentando resolver, es decir, intentando encontrar una teoría que unifique las leyes de la relatividad general y las de la mecánica cuántica en una sola. Vamos en búsqueda de una “Teoría del Todo”, donde, por ahora, la Teoría de Cuerdas parece ser la que va más adelantada.

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Algunos de los principios de la mecánica cuántica

Ni los mejores físicos teóricos del mundo entienden exactamente qué pasa en el nivel cuántico de la materia, así que en este artículo no podremos desentrañar los misterios del Universo. Pero sí que podemos hacer una cosa: presentar los principios cuánticos de los que deriva la paradoja del gato de Schrödinger.

Hay muchísimos, pero nos quedaremos con los tres que, quizás (a no ser que un físico diga lo contrario), son los más importantes: la dualidad onda - partícula, el principio de superposición y el principio de incertidumbre. Lo sentimos, pero cada uno es más extraño que el anterior.

1. Dualidad onda - partícula

Empezamos por todo lo alto. Directamente con algo que, para nosotros, es una completa paradoja sin sentido. Como bien sabemos, toda la materia del Universo está formada por átomos. Y ya hemos dicho que estos átomos se comportan de acuerdo a las leyes de la relatividad general. Son “dóciles”.

Ahora bien, si bajamos de nivel y nos centramos en las estructuras que conforman estos átomos, pasamos al nivel de la mecánica cuántica. Los protones y neutrones de los átomos están formados por partículas subatómicas conocidas como quarks. Los propios electrones que orbitan alrededor del núcleo son partículas subatómicas en sí mismas.

Y además de estas, hay muchas otras: hadrones, bosones, neutrinos… En estas partículas sabemos perfectamente que está la clave para entender el origen de todas las fuerzas del Universo. Lo que no entendemos es cuál es su naturaleza.

Y aquí llegamos a esta dualidad. Y es que estas partículas subatómicas son, al mismo tiempo, puntos y ondas. Es como si ahora te dijéramos que tu cuerpo es, a la vez, una partícula material y una onda que viaja por el espacio. ¿Verdad que no tiene sentido? Bueno, es que nada de la mecánica cuántica lo tiene. Simplemente nos lo creemos y nos quedamos con esta idea.

2. Principio de superposición

Seguimos por todo lo alto. Y es que el principio de superposición, uno de los más importantes de la física cuántica, nos dice que una partícula no está en un lugar u otro del espacio. Está, simultáneamente, en todos aquellos sitios en los que puede estar. Y nos dice también que estará en uno u otro dependiendo del observador, es decir, nosotros.

No se ha entendido, claro. Pero basta con quedarnos con la idea de que, a nivel subatómico, se pierde el concepto del espacio-tiempo. Las leyes de la cuántica dicen que, si una partícula puede estar en dos lugares a la vez (puede estar en muchísimos más, pero no compliquemos las cosas), estará en los dos sitios de forma simultánea. Y cada uno de ellos es totalmente real. Realmente, esa partícula existe en dos puntos del espacio al mismo tiempo.

3. Principio de incertidumbre

Y terminamos, evidentemente, también por todo lo alto. El principio de incertidumbre nos dice que es físicamente imposible, desde nuestra perspectiva, conocer de forma simultánea la posición exacta y la velocidad de una partícula. Todo se basa en probabilidades. Es decir, una partícula concreta tiene unas probabilidades A de estar en un sitio y unas probabilidades B de estar en otro. Pero nunca podremos saber en cuál está exactamente, porque, básicamente, está en los dos. Si está en dos sitios, no podemos saber su posición exacta. Es de “lógica”. Bueno, de lógica cuántica, que tiene de todo menos lógica.

¿Qué nos explica la paradoja del gato de Schrödinger?

Como se puede intuir, la paradoja del gato de Schrödinger, propuesta por el físico austríaco Erwin Schrödinger en 1935, es un intento para explicar los tres principios de la mecánica cuántica que hemos visto. Y antes de nada, es importante recalcar que se trata de una paradoja, así que no hay que buscarle lógica ni dar con una solución. Es lo que tienen las paradojas.

Habiendo dejado claro esto, veamos en qué consiste. La paradoja del gato de Schrödinger es un experimento mental, es decir, que nunca se llegó a matar a ningún gato, que intenta explicar la dualidad onda - partícula, el principio de superposición y el principio de incertidumbre.

Imaginemos que colocamos un gato (no sabemos exactamente por qué eligió un gato, quizás simplemente no le gustaban) dentro de una caja completamente opaca, es decir, que no podemos ver que hay dentro. Y en su interior, colocamos un mecanismo de “asesinato cuántico”.

Esto significa que unimos un detector de electrones (que es una partícula subatómica y, por tanto, está sujeta a las leyes de la mecánica cuántica) a un martillo, el cual, si se acciona el mecanismo, cae sobre un frasco de cristal con una dosis de veneno letal para el pobre gato.

Pero, ¿qué tiene que ver esto con la mecánica cuántica? Ahora viene. Existe un 50% de probabilidades de que el mecanismo se active y un 50% de probabilidades de que no se active. Por lógica aplastante (todavía sirve la lógica), solo pueden pasar dos cosas. Una: que se rompa el frasco y el gato muera. Dos: que no se rompa el frasco y que el gato viva.

Desde nuestra perspectiva, el gato o está muerto o está vivo. No hay más. Y solo sabremos si está vivo o está muerto cuando abramos la caja. Pero la mecánica cuántica nos dice que no. Y ahora es cuando perdemos todo rastro de lógica.

Primero de todo, recordemos que el mecanismo está conectado a un detector de electrones. Y si detecta electrones, cuidado. Porque recordemos que las partículas subatómicas tienen, desde el punto de vista cuántico, una dualidad, es decir, se comportan al mismo tiempo como ondas y como partículas. Y no son excluyentes.

Esto, ¿qué significa? Bueno, algo muy raro. Y es que, si se comporta simultáneamente como un punto que va hacia delante y como una onda que se expande por el espacio (como cuando tiramos una piedra a un río), el electrón habrá tomado al mismo tiempo el camino hacia el detector y todos los otros caminos posibles que no le llevan al detector. Por lo tanto, desde el punto de vista cuántico, al mismo tiempo, el detector se ha activado y se ha mantenido apagado.

Y si había un 50% de probabilidades de que muriera y un 50% de probabilidades de que viviera, por el principio de superposición de las partículas subatómicas, ambos estados son perfectamente reales. Es decir, el gato (que pretende ser una partícula subatómica) está vivo y está muerto. Y los dos estados no solo no son excluyentes, sino que existen simultáneamente. Al mismo tiempo, el mismo gato está vivo y está muerto.

Y, por último, el principio de incertidumbre en esta paradoja se explica porque nos es imposible saber en qué estado está el gato. Hasta que no observemos la partícula (el gato), no podremos saber su estado, es decir, si está vivo o está muerto. No lo sabremos porque, básicamente, está vivo y está muerto. Pero será cuando abramos la caja que veremos un estado u otro.

¿Esto significa que, suponiendo que estuviera vivo, el estado de muerto no hubiera existido? No. Seguiría siendo igual de real que el vivo, solo que en el momento de la observación, la partícula subatómica (el gato) estaba en ese estado.

Resumen

La paradoja del gato de Schrödinger es solo eso: una paradoja. Carece de toda lógica desde nuestra perspectiva ya que expresa los principios de la mecánica cuántica. Y es que aunque es cierto que en el mundo de las partículas subatómicas, estas se comportan a la vez como ondas y como partículas, pueden estar en dos lugares al mismo tiempo y nos es imposible calcular su posición exacta, en el mundo macroscópico esto no funciona así. Las cosas son o no son. No hay más.

El gato de Schrödinger es solo una metáfora para comprender cómo de complejo y cómo de diferente es la realidad en el mundo subatómico. Pero hay que tener muy claro que toda aquella materia de nivel igual o superior al atómico (gatos incluidos, claro) no está dominada por las leyes de la mecánica cuántica, sino por las de la relatividad general.

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Un gato no puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, al igual que un cuerpo macroscópico no puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Nuestra realidad no sigue las leyes cuánticas y, por lo tanto, este experimento mental solo sirve si pensamos en el gato como una partícula subatómica.