Átomos, ¿y balones de fútbol?, con el don de la ubicuidad

Los investigadores de la Universidad de Bonn han demostrado que los átomos de cesio no siguen caminos bien definidos.

El equipo de Bonn ha desarrollado un esquema de medición que mide indirectamente la posición de un átomo. En esencia, uno mira hacia donde no está el átomo de cesio. La imagen aclara este procedimiento. Supongamos que hay dos tarros frente a nosotros y un gato está escondido debajo de uno de ellos (a). Sin embargo, no sabemos bajo cual lo está. Tentativamente elevamos el tarro de la derecha (b) y lo encontramos vacío. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que el gato debe de estar en el tarro de la izquierda que todavía no hemos perturbado. En cambio, si hubiéramos levantado el tarro de la izquierda, habríamos perturbado al gato (c), y se habría tenido que haber desechado la medición. En el mundo macro-realista, este esquema de medición no tendría ninguna influencia sobre el estado del gato, que se mantiene inalterado todo el tiempo. En el mundo cuántico, sin embargo, una medición negativa que revela la posición del gato, como en (b), ya es suficiente para destruir la superposición cuántica e influir en el resultado del experimento. Los físicos de Bonn han observado exactamente ese efecto. Imagen: © Andrea Alberti / www.warrenphotographic.co.uk.

El equipo de Bonn ha desarrollado un esquema de medición que mide indirectamente la posición de un átomo. En esencia, uno mira hacia donde no está el átomo de cesio. La imagen aclara este procedimiento. Supongamos que hay dos tarros frente a nosotros y un gato está escondido debajo de uno de ellos (a). Sin embargo, no sabemos bajo cual lo está. Tentativamente elevamos el tarro de la derecha (b) y lo encontramos vacío. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que el gato debe de estar en el tarro de la izquierda que todavía no hemos perturbado. En cambio, si hubiéramos levantado el tarro de la izquierda, habríamos perturbado al gato (c), y se habría tenido que haber desechado la medición. En el mundo macro-realista, este esquema de medición no tendría ninguna influencia sobre el estado del gato, que se mantiene inalterado todo el tiempo. En el mundo cuántico, sin embargo, una medición negativa que revela la posición del gato, como en (b), ya es suficiente para destruir la superposición cuántica e influir en el resultado del experimento. Los físicos de Bonn han observado exactamente ese efecto. Imagen: © Andrea Alberti / www.warrenphotographic.co.uk.

¿Puede un tiro de penal simultáneamente marcar un gol y no llegar a la meta? Para objetos muy pequeños, por lo menos, esto es posible: de acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica, los objetos microscópicos pueden tomar caminos distintos al mismo tiempo. El mundo de los objetos macroscópicos sigue otras reglas: el balón de fútbol siempre se mueve en una dirección definida. ¿Pero es así siempre? Un equipo de físicos de la Universidad de Bonn ha realizado un experimento diseñado para falsar esta tesis. Su primer experimento muestra que los átomos de cesio, de hecho, pueden tomar dos caminos al mismo tiempo.

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Hace casi 100 años los físicos Werner Heisenberg, Max Born y Erwin Schrödinger crearon un nuevo campo de la física: la mecánica cuántica. Los objetos del mundo cuántico – de acuerdo con la teoría cuántica – no se mueven a lo largo de un único camino bien definido. Más bien, simultáneamente pueden tomar caminos distintos y terminar en diferentes lugares al mismo tiempo. Así, los físicos hablan de superposición cuántica de caminos distintos.

A nivel de los átomos, realmente parece que los objetos obedecen las leyes de la mecánica cuántica. Con los años, muchos experimentos han confirmado las predicciones de la mecánica cuántica. En nuestra experiencia diaria macroscópica, sin embargo, somos testigos de que un balón de fútbol toma exactamente un camino: nunca entra en la portería y simultáneamente golpea uno de los palos y rebota. ¿Por qué es así?

“Hay dos interpretaciones diferentes,” dice el Dr. Andrea Alberti, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. “La mecánica cuántica permite estados de superposición de objetos grandes y macroscópicos. Pero esos estados son muy frágiles, incluso, si se sigue la trayectoria del balón con los ojos, es suficiente para destruir la superposición y hacer que tome una trayectoria definida”.

¿Los objetos “grandes” siguen reglas diferentes?

También podría suceder que los balones obedezcan reglas completamente diferentes de las que rigen a los átomos individuales. “Hablemos desde un punto de vista macro-realista del mundo”, dice Alberti. “De acuerdo con esta interpretación, el balón siempre se mueve en una trayectoria específica, independiente de nuestra observación, en contraste con el átomo”.

Pero, ¿cuál de las dos interpretaciones es la correcta? ¿Los objetos “grandes” se mueven de forma diferente de los pequeños? En colaboración con el Dr. Clive Emary de la Universidad de Hull en el Reino Unido, el equipo de Bonn ideó un experimento que puede ayudar a responder esa pregunta. “El reto era desarrollar un esquema de medición de las posiciones de los átomos que permita la falsación de las teorías macro-realistas”, añade Alberti.

En su experimento, con dos pinzas ópticas sujetaron a un único átomo de cesio y lo tiraron en dos direcciones opuestas. En el mundo macro-realista el átomo estaría sólo en una de las dos ubicaciones finales. En cambio, en el mundo cúantico-mecánico, el átomo ocuparía una superposición de las dos posiciones.

“Hemos hecho mediciones indirectas para determinar la posición final del átomo de la manera más discreta posible”, dice el estudiante de doctorado Carsten Robens. Incluso una medición indirecta (véase la imagen) modificó significativamente el resultado de los experimentos. Esta observación excluye – falsa, como Karl Popper diría más precisamente – la posibilidad de que los átomos de cesio se comporten conforme una teoría macro-realista. En su lugar, los resultados experimentales del equipo de Bonn se adaptan bien a una interpretación basada en estados de superposición que se destruyen cuando se produce la medición indirecta. Todo lo que podemos hacer es aceptar que el átomo ha tomado distintos caminos al mismo tiempo.

“Esto aún no es una prueba de que la mecánica cuántica es válida para objetos grandes”, advierte Alberti. “El siguiente paso es separar dos posiciones del átomo de cesio por varios milímetros. Si aún así, todavía encontramos una superposición en nuestro experimento, la teoría macro-realista sufriría otro revés”.

Estudio: Robens, Carsten, Alt, Wolfgang, Meschede, Dieter, Emary, Clive, Alberti, Andrea. Ideal negative measurements in quantum walks disprove theories based on classical trajectories. Phys. Rev. X 5, 011003, doi: 10.1103/PhysRevX.5.011003

Fuente: Universität Bonn

2 Comentarios

  1. ME GUSTA MUCHO SU PAGINA WEB.COMO ME PUEDO REGISTRAR PARA QUE ME MANDEN A MI CORREO LOS ANUNCIOS CIENTIFICOS?GRACIAS.
    SALUDOS,
    LUIS

    • Hola Luis,
      Desafortunadamente no contamos con un sistema que pueda enviarle correos electrónicos; sin embargo, contamos con FeedBurner (botón naranja en la parte superior izquierda). A FeedBurner se puede suscribir por medio de Google, Yahoo, etc.

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