El mejor experimento que demuestra que la superposición es real cuando no observamos es el ‘zeno cuántico’ o ‘la olla cuántica que nunca hierve si se observa’ realizada por Itano et al en 1990.
Lo siento, esto va a ser largo, pero te digo que vale la pena si no conoces el experimento y te interesan estas cosas:
Como ya sabrán, los átomos pueden “excitarse” a un estado de energía superior al proporcionarles energía electromagnética. Si arroja fotones a un átomo, los electrones del átomo pueden absorber los fotones que “saltarán” a una órbita de energía más alta. Este es el estado “excitado” del átomo (si lo dejas solo, eventualmente irradiará esos fotones y volverá a su “estado fundamental”).
Ahora, el experimento consiste en una “olla” que contiene alrededor de 5000 átomos de berilio. Al aplicar una lluvia de radiación de microondas (fotones de cierta energía) podemos excitarlos y colocarlos en un estado de mayor energía, que informalmente podemos llamar como “el átomo de berilio en ebullición”. El tiempo que le toma a la ducha de microondas llevar un átomo de berilio al estado excitado de “ebullición” es de 256 milisegundos.
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Sin embargo, esta ebullición, que es lo que se espera que ocurra para los átomos bajo la lluvia de radiación, ocurre solo si los átomos no se observan durante el período de 256 milisegundos. Si no observamos la olla, después de 256 milisegundos, todos sus átomos estarán “hirviendo”.
Pero si intentamos observar los átomos “en camino de convertirse en ebullición”, no los veremos llegar al estado de ebullición. Cuanto más se observan los átomos, más tiempo tardan en hervir. Si los átomos se observan con suficiente frecuencia, cada 4 milisegundos, la olla nunca hervirá en absoluto, ningún átomo llegará al estado de ebullición.
La razón por la cual la olla nunca hierve si se observa es que un átomo, aunque no se observa, puede estar en una superposición de diferentes estados, en parte no hirviendo y en parte hirviendo (el porcentaje de cada estado que cambia gradualmente de “no hirviendo” a “definitivamente hirviendo “a lo largo del período de 256 milisegundos). Es importante darse cuenta de que no hay un estado intermedio entre no ebullición y ebullición, los electrones solo pueden estar en la órbita terrestre o en la superior, pero nunca pueden estar en el medio. El “estado de superposición” no es un estado intermedio entre no ebullición y ebullición, sino realmente una superposición de estados de “no ebullición” y “ebullición” al mismo tiempo. Pero si se observa el átomo, necesita “elegir” un estado definido, ya sea “hirviendo” o “no hirviendo”. Si observamos el átomo a 128 milisegundos, las posibilidades de que “elija” hervir o no hervir son exactamente del 50%.
Cuando se observa, cada átomo solo puede estar en cualquiera de los estados, hirviendo o no hirviendo, pero nada en el medio. Solo pueden estar en el medio (en una superposición cuántica de ambos estados) mientras no se observan. Esta es la clave
Ahora, aquellos átomos que en el momento de ser observados (digamos después de 128 milisegundos) “eligen” tomar todavía el estado no excitado (no hirviendo), necesitan comenzar de nuevo desde cero y necesitan nuevamente 256 milisegundos para hervir, no solo 128 milisegundos más.
La lluvia de radiación de microondas es continua, incluso mientras se observan los átomos.
La observación se realiza haciendo brillar un rayo láser a través de la “niebla” de berilio, y la dispersión del láser indica cuántos átomos estaban hirviendo y cuántos no (porque los átomos no hirviendo absorben algo de energía del láser y los hirvientes no ‘t).
Durante una lluvia de radiación no observada de 256 milisegundos, cada átomo evolucionará de una superposición cuántica de estados 100% sin ebullición + 0% de ebullición, a una superposición de 0% sin ebullición + 100% de ebullición.
A 128 milisegundos, la superposición es del 50% al 50%, a 64 milisegundos es del 75% al 25%, y así sucesivamente.
Cuando se observa, cada átomo debe abandonar la superposición y “elegir” entre cualquiera de los dos estados.
Si solo observa después de 256 milisegundos, todos los átomos podrían llegar a la superposición de 0% sin ebullición + 100% de ebullición, por lo que encontrará que todos están hirviendo.
Si observa después de 128 milisegundos, están en una superposición de 50% -50%, por lo tanto, la mitad de ellos elegirá el estado no hirviendo y la otra mitad el estado hirviendo.
Pero para el 50% que “elige” el estado no hirviendo, la superposición vuelve al 100% no hirviendo + 0% hirviendo. Por lo tanto, necesitan nuevamente 256 milisegundos sin ser observados para evolucionar a 0% + 100%, tienen que comenzar desde cero nuevamente.
Por lo tanto, si los observa muy repetidamente, cada 4 milisegundos fue la prueba, por lo que la probabilidad de que un átomo “elija” estar en ebullición fue despreciable debido al corto tiempo transcurrido-, hará que todos vuelvan al 100% sin ebullición + 0% de ebullición, y nunca pueden hacerlo hervir incluso si la ducha de radiación nunca se detiene.
Un hecho interesante es que tanto la lluvia de radiación (es radiación de ondas de radio) como el rayo láser, son AMBAS radiaciones electromagnéticas que se dirigen a los átomos. Sin embargo, la lluvia de ondas de radio no causa el colapso de la superposición, y el láser sí. ¿Por qué?
La única diferencia es que usamos el láser para observar, mientras que no lo hacemos con las ondas de radio. Es nuestro uso de la información de la radiación para adquirir conocimiento del sistema lo que determina si la radiación cambiará el estado de los átomos o no. Mientras no intentemos obtener información de ella, la radiación no hará que los átomos elijan un estado definido y puedan permanecer en una superposición de múltiples estados, pero si intentamos usar esa radiación para obtener información sobre el estado de los átomos, colapsarán en un solo estado. Esto es exactamente lo mismo que con el famoso experimento de doble rendija, si no extraemos información sobre “por qué rendija pasó”, obtenemos interferencia (= superposición), si extraemos información, la superposición se colapsa en una sola ruta de rendija.
