Una ecuación y un gato para la Historia. El “gigante” Schrödinger.

El 4 de enero de 1961, fallecía el físico austríaco,  Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger  (Erdberg, Viena, Imperio austrohúngaro, 12 de agosto de 1887 – id., 4 de enero de 1961). Compartió el Premio Nobel de Física del año 1933 con Paul Dirac por su contribución al desarrollo de la mecánica cuántica.

SchrodingerEn 1898 entró en el Akademisches Gymnasium,. Entre los años 1906 y 1910, Schrödinger estudió en Viena recibiendo clases de Franz Serafin Exner y de Friedrich Hasenöhrl. También realizó trabajos experimentales en colaboración con Friedrich Kohlrausch. En 1911, Schrödinger se convirtió en asistente de Exner.

En 1920  Schrödinger se convirtió en ayudante de Max Wien en Jena, y el 20 de septiembre adquirió el cargo de profesor asociado en Stuttgart. En 1921 se convirtió en profesor titular en Breslau (hoy Wrocław, Polonia).

Schrödinger se trasladó a la Universidad de Zürich en 1922.

En enero de 1926 publicó en la revista Annalen der Physik un artículo científico titulado Quantisierung als Eigenwertproblem (Cuantización como problema de autovalores), en el que desarrolló la llamada ecuación de Schrödinger.

La ecuación de Schrödinger, describe la evolución temporal de una partícula masiva no relativista. Es de importancia central en la teoría de la mecánica cuántica, donde representa para las partículas microscópicas un papel análogo a la segunda ley de Newton en la mecánica clásica. Las partículas microscópicas incluyen a las partículas elementales, tales como electrones, así como sistemas de partículas, tales como núcleos atómicos. La ecuación de Schrödinger arroja como resultado funciones de onda, relacionadas con la probabilidad de que se dé un determinado suceso físico, tal como puede ser una posición específica de un electrón en su órbita alrededor del núcleo. Demostró que su teoría, era el equivalente en matemáticas a las teorías de mecánica matricial que había formulado el año anterior el físico alemán Werner Heisenberg. La unión de estas teorías constituyeron la base de la mecánica cuántica. Esta ecuación incorpora tanto el comportamiento de partícula, en términos de la masa m, como el de onda, en términos de una función de onda Ψ, que depende de la ubicación del sistema en el espacio

Schrodinger3El cuadrado de la función de onda Ψ2 nos da la probabilidad de encontrar el  electrón en un punto del espacio.

Al comienzo del siglo XX se había comprobado que la luz presentaba una dualidad onda corpúsculo, es decir, la luz se podía manifestar (según las circunstancias) como partícula (fotón en el efecto fotoeléctrico), o como onda electromagnética en la interferencia luminosa. En 1923 Louis-Victor de Broglie propuso generalizar esta dualidad a todas las partículas conocidas. Propuso la hipótesis, paradójica en su momento, de que a toda partícula clásica microscópica se le puede asignar una onda, lo cual se comprobó experimentalmente en 1927 cuando se observó la difracción de electrones.

El éxito de la ecuación, deducida de esta expresión utilizando el principio de correspondencia, fue inmediato por la evaluación de los niveles cuantificados de energía delelectrón en el átomo de hidrógeno, pues ello permitía explicar el espectro de emisión del hidrógeno: series de Lyman, Balmer, Bracket, Paschen, Pfund, etc.

Formuló la ecuación de onda para el átomo de hidrógeno (ecuación de ondas) que describe el comportamiento y la energía de las partículas subatómicas.

La interpretación física correcta de la función de onda de Schrödinger fue dada en 1926 por Max Born. En razón del carácter probabilista que se introducía, la mecánica ondulatoria de Schrödinger suscitó inicialmente la desconfianza de algunos físicos de renombre como Albert Einstein, para quien «Dios no juega a los dados» y del propio Schrödinger.

En Schrödinger 1927 aceptó la invitación de la Universidad de Berlín para ocupar la cátedra de Max Planck,

Permaneció en dicha universidad hasta 1933. En 1933 por el ascenso del nazismo, abandonó Alemania y se trasladó a Oxford. En 1936 retornó a Austria, pero dos años después, cuando Adolf Hitler se anexionó Austria, volvió a abandonar nuevamente el país. Se trasladó a Roma con los únicos pertrechos que pudo cargar en una mochila y encontró asilo en el Vaticano. De 1940 hasta su jubilación en el año 1955 dirigió laescuela de física teórica del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín.

Schrodinger5Entre sus escritos se encuentran Collected Papers on Ware Mechanics (Recopilación de artículos sobre mecánica ondulatoria, 1928), Modern Atomic Theory (Teoría atómica moderna, 1934), Statistical Thermodynamics (Termodinánimca estadística, 1945) y Expanding Universes (Universos en expansión, 1956).

En 1944 publicó en inglés un pequeño volumen titulado ¿Qué es la vida? (What is life?), resultado de unas conferencias divulgativas

Schrödinger es además, el autor de una de las paradojas mas celebres de la Historia de Ciencia, el experimento del gato de Schrödinger

Se trata de un experimento imaginario concebido en 1935 por Schrödinger para exponer una de las interpretaciones más contraintuitivas de la mecánica cuántica.

Erwin Schrödinger,  formuló en su experimento qué implica y qué significa el Principio de Incertidumbre que rige el mundo de las partículas y los objetos del tamaño de un átomo.

El montaje que Schrödinger sugirió realizar fue: el siguiente: introducimos un gato dentro de una caja, que contiene una ampolla de vidrio en la que se ha embotellado un veneno volátil muy potente. Además hay un instrumento capaz de romper el cristal, un martillo que está sujeto encima de la ampolla.

El martillo está conectado a un mecanismo detector de partículas alfa y puede ser liberado eléctricamente. Si por alguna razón llega al detector una partícula alfa el martillo cae, rompe la ampolla y por lo tanto el gato muere. Pero si por el contrario no llega ninguna partícula no sucederá nada y el gato continuará vivo.

Las probabilidades de que, en una hora de tiempo, el átomo emita una partícula alfa son del 50% Al terminar el tiempo establecido, hay una probabilidad del 50% de que el dispositivo se haya activado y el gato esté muerto, y la misma probabilidad de que el dispositivo no se haya activado y el gato esté vivo. Según los principios de la mecánica cuántica, la descripción correcta del sistema en ese momento (su función de onda) será el resultado de la superposición de los estados «vivo» y «muerto» (a su vez descritos por su función de onda). Sin embargo, una vez que se abra la caja para comprobar el estado del gato, éste estará vivo o muerto.

Schrodinger2Una propiedad de los electrones, es estar en dos lugares distintos al mismo tiempo, pudiendo ser detectados por los dos receptores y dándonos a sospechar que el gato está vivo y muerto a la vez, lo que se llama Superposición. Pero cuando abramos la caja y queramos comprobar si el gato sigue vivo o no, perturbaremos este estado y veremos si el gato está vivo, o muerto.

Mientras que en la descripción clásica del sistema el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja y comprobemos su estado, en la mecánica cuántica el sistema se encuentra en una superposición de los estados posibles hasta que interviene el observador, lo que no puede ser posible por el simple uso de la lógica. El paso de una superposición de estados a un estado definido se produce como consecuencia del proceso de medida, y no puede predecirse el estado final del sistema: solo la probabilidad de obtener cada resultado.

Según la mecánica cuántica, el observador al realizar la comprobación interactúa con el sistema y lo perturba, rompe la superposición de estados y provoca que el sistema se decante por uno.

Si hacemos caso de nuestro sentido común el gato no puede estar a la vez vivo y muerto.

Pero según la mecánica cuántica mientras nadie observe el interior de la caja el gato estará en una superposición de los dos estados: vivo y muerto.

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Publicado el 4 enero, 2016 en Física. Añade a favoritos el enlace permanente. 3 comentarios.

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