Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
El experimento del gato de Schrodinger marca el principio de
la mecánica cuántica
Estoy absolutamente impactado del resultado del experimento
que acaban de conseguir en el Instituto Max Planck
Lo han conseguido no con gatos sino con pulsos de luz
Pulsos de luz que estaban en dos estados a la vez, o sea el
equivalente sería que los fotones giran al mismo tiempo hacia un lado y al
contrario ……..o sea, en palabras de la más famosa paradoja de la historian de
la ciencia, gato vivo y gato muerto al mismo tiempo
Un Gato de Schrödinger construido con pulsos de luz. Eso es
lo que han fabricado en el laboratorio del Instituto Max Planck en Garching
(Alemania). En concreto, luces de láser (paquetes de fotones) que han podido
ver en dos estados a la vez. Algo así como observar a la luz “viva y muerta a
la vez”, tal y como planteaba con un gato en 1935 uno de los experimentos
mentales más alocados de la historia de la física. Erwin Schrödinger creía que
aunque en el mundo
cuántico, el de lo más pequeño, hay partículas, como los fotones, pueden
estar en dos estados a la vez (“girando” –esto es metafórico– hacia un lado y
el contrario, por ejemplo) no podríamos verlo. Pero hace
un tiempo que sabemos que sí es posible, aunque no tanto como para que
afecte al devenir vital de la materia en escalas como las del tamaño de un
gato.
En 1935, Erwin Schrödinger planteó un experimento mental absurdo. Una caja opaca con una botella de veneno, un martillo que se activa con una partícula radiactiva y un gato en su interior. En mecánica cuántica, decimos que hay partículas que pueden estar en dos estados a la vez. Algo así como moviéndose en dos direcciones distintas al mismo tiempo. Un estado o tipo de movimiento golpearía el martillo, liberando el veneno e intoxicando al gato dentro de la caja. El otro no lo desataría. Eso implica algo verdaderamente loco: hay un momento en que el gato está vivo y muerto a la vez. Sin embargo, sabemos que en el mundo cuántico en el momento que un observador echa un vistazo, el sistema colapsa: la partícula ‘elige’ de golpe estar en uno de los dos estados, implicando que el gato viva o muera en el momento en que abrimos la caja y observemos | Vídeo: M.V.
Para realizar este experimento filosófico en el laboratorio,
los físicos han recurrido a varios sistemas modelo. El implementado en este
caso sigue un esquema propuesto por los teóricos Wang y Duan en 2005. Aquí, la
superposición de dos estados de un pulso óptico sirve como gato.
Los investigadores involucrados en el proyecto se mostraron
inicialmente escépticos en cuanto a si sería posible generar y detectar de
manera fiable dichos estados cuánticos gatunos con la tecnología disponible. La
mayor dificultad radica en la necesidad de minimizar las pérdidas de luz en su
experimento. Una vez que se logró esto, se encontraron todas las mediciones
para confirmar el juego mental de Schrödinger. El experimento permite a los
científicos explorar el ámbito de aplicación de la mecánica cuántica y
desarrollar nuevas técnicas para la comunicación cuántica.
Láser entrelazado
cuánticamente
El laboratorio del Instituto Max Planck en Garching está
equipado con todas las herramientas necesarias para realizar experimentos de
vanguardia en óptica cuántica. Se utilizan una cámara de vacío y láseres de
alta precisión para aislar un solo átomo y manipular su estado. En el núcleo de
la configuración hay un resonador óptico, que consta de dos espejos separados
por una ranura de solo 0,5 mm de ancho, donde un átomo puede quedar atrapado.
Un pulso de láser se alimenta en el resonador y se refleja, y por lo tanto
interactúa con el átomo.
Como resultado, la luz reflejada se entrelaza con el átomo.
Es decir, lo que le pasa a los fotones de la luz repercute al átomo atrapado,
incluso aunque “no se toquen”. Al realizar una medición adecuada en el átomo,
el pulso óptico se puede preparar en un estado de superposición, al igual que el
del Gato de Schrödinger.
Una característica especial del experimento es que los
estados entrelazados pueden generarse de manera determinista. En otras
palabras, se produce un estado de gato-láser en cada prueba. Cada vez que
miramos, el gato-láser o está vivo o está muerto. Pero sabemos que ha estado
vivo y muerto a la vez justo antes de mirar.
“Hemos tenido éxito en generar estados de gato-láser
voladores y hemos demostrado que se comportan de acuerdo con las predicciones
de la mecánica cuántica.
Estos hallazgos demuestran que nuestro método para crear
estados de gato funciona y nos permitió explorar los parámetros esenciales”,
explica el estudiante Stephan Welte.
https://www.elindependiente.com/futuro/2019/01/24/recrean-exito-gato-schrodinger-laboratorio-aleman/
Gatos aparte, el experimento paralelo que prueba el triunfo
de la Mecánica Cuántica es el de la doble rendija
Ahí, nuevamente el gato está vivo y muerto a la vez, o sea
el electrón pasa por ambas rendijas
La sorpresa de la cuántica
La física cuántica ha supuesto una sorpresa a muchos
niveles. Esta teoría nos ha llevado al límite del 'sentido común', nos enfrenta
a un universo que se rige por leyes y comportamientos que están muy alejados de
cualquier experiencia cotidiana.
En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a catalogar las
cosas. Una de las clasficaciones que hacemos de los fenómenos físicos es si
están formados por partículas o por ondas. De forma breve podríamos definir:
- Partícula
= Objeto diferenciable del entorno al que se le asignan propiedades bien
definidas y que ocupa un lugar concreto en el espacio. Una de sus
características más representativas es que al colisionar dos de estas
partículas alteran su movimiento. Por supuesto, respetando las leyes de
conservación pertinentes.
- Onda = Perturbación que
se propaga por un medio o un campo, por ejemplo el electromagnético, con
unas características determinadas. Uno de los fenómenos físicos más
representativos de las ondas es su capacidad para interferir. Cuando dos
ondas se cruzan en una determinada región del espacio se combinan de forma
que hay regiones donde se refuerzan y otras donde se suprimen. Esto da
lugar a lo que se conoce como patrón de interferencia. Cuando
las ondas prosiguen continuan su propagación retoman sus propiedades
previas a la interferencia.
En cuántica, los sistemas no se pueden catalogar según esta
clasificación. Un mismo sistema puede tener comportamientos ondulatorios o de
partícula. Esto es lo que nos dice la archiconocida, y muchas veces mal
interpretada, dualidad onda-partícula.
Se puede considerar que esta dualidad está en la base de
todas las sorpresas cuánticas. En un sentido histórico, éste hecho fue el
culpable del desarrollo de toda la teoría cuántica posterior.
Dobles rendijas, canicas y ondas
Para comprobar esto que acabamos de comentar imaginemos que
tenemos el siguiente dispositivo:
- Tenemos una pared con
dos rendijas.
- A cierta distancia
ponemos una pantalla que nos servirá como detector.
- Disponemos de un
dispositivo que lanza canicas en distintas direcciones. Estas canicas
tienen el tamaño justo para pasar por la rendija.
- Además, tenemos un
sistema que genera ondas.
Lo que vamos a hacer es estudiar el comportamiento de ondas
y partículas en este sistema de doble rendija.
Lanzando canicas
Para comenzar lanzaremos las canicas con tan solo una
rendija abierta. Lo que uno encuentra en la pantalla detectora es que las
canicas impactan preferentemente enfrente de la rendija por la que las canicas
pasan:
Si abrimos las dos rendijas, lo que obtenemos es:
Aquí se indican, con las líneas rojas y verdes, las canicas
que han pasado por la rendija 1 y 2. La línea azul es la suma de ambas
contribuciones. Este es el perfil que obtendríamos al graficar el número de
impactos en cada posición de la pantalla.
Lanzando ondas
Ahora emplearemos el generador de ondas. Cuando estas llegan
a la doble rendija, cada una de estas rendijas actuará como un foco emisor
secundiaro. Por lo tanto se crearán dos ondas que interferirán:
En la pantalla detectora veremos como hay regiones con mucha
intensidad (interferencia constructiva de la ondas) y otras regiones con poca
intensidad (interferencia destructiva de las ondas). Esto es lo que
llamamos patrón de interferencia.
Si queremos graficar este patrón, la figura que obtenemos
es:
Está claro que este patrón y el producido por las partículas
son muy diferentes.
Doble rendija a lo cuántico
Supongamos ahora que repetimos este experimento pero
lanzando electrones. Los electrones son partículas elementales que se han de
describir según las leyes de la mecánica cuántica. Para realizar el experimento
seguiremos las siguientes pautas:
- Lanzaremos un electrón y
esperaremos a que llegue a la pantalla detectora.
- Seremos cuidadosos de no
tener nunca más de un electrón en vuelo.
Estos experimentos ya han sido realizados. Os dejo una
referencia clásica al respecto.
Donati, O,
Missiroli, G F, Pozzi, G (1973). An Experiment on Electron Interference. American
Journal of Physics 41:639–644 doi:10.1119/1.1987321
Siguiendo estas simples reglas obtenemos lo siguiente:
- Lo primero que vemos es
que los electrones llegan a la pantalla y colisionan con ella en regiones
localizadas. Esto nos lleva a pensar que se comportan como electrones.
- Si dejamos que el
experimento avance, conforme se van acumulando tales colisiones vemos algo
asomboroso. Se comienza a formar un patrón de franjas con áreas de mucha
intensidad y areas de poca intensidad. Estamos recostruyendo un patrón de
interferencias. Parece lógico que el electrón, cuando ha estado en vuelo
desde las rendijas hasta la pantalla, se ha comportado como una onda.
Aquí tenemos el meollo de la cuestión. Los electrones forman
un patrón de interferencia (ondas) y colisionan con la pantalla en puntos
localizados (partículas).
Pero aún hay más. En este experimento se ponen sobre la mesa
una serie de cuestiones:
- Solo hay un electrón en
vuelo en cada impacto en la pantalla. Podríamos suponer que ha pasado por
una de las dos rendijas.
- Sin embargo, se ha
comportado como una onda, así que estamos obligados a pensar que ha pasado
por las dos rendijas a la vez.
- Mientras que se
desarrolla el experimento no podemos determinar la trayectoria que sigue
un electrón dado.
¿Podemos determinar si un electrón pasa solo por una o por
ambas rendijas a la vez?
La respuesta que nos da la cuántica es un magnífico y
rotundo 'NO'.
Según la cuántica, si intentamos saber la rendija por la
cual pasa un electrón o seguir su trayectoria el patrón de interferencia
desaparece. De hecho, si en mitad del experimento tapamos una de las
rendijas el patrón de interferencia desaparece.
Esto implica que la naturaleza se niega a decidirse entre
ondas y partículas, esa es una clasificación que hemos hecho nosotros. Si
forzamos el experimento para saber la trayectoria o la rendija por la que pasa
un electrón se pierde el patrón de interferencia. Así que, si queremos
identificar propiedades de partículas las encontraremos, pero el precio a pagar
es perder las características de onda del sistema bajo estudio.
¿Qué han hecho en el nuevo experimento?
El 13 de marzo (2013) se publicó el siguiente artículo:
En este artículo se describe cómo por primera vez era
posible observar qué pasa cuando tapas dos rendijas, una o ninguna, en tiempo
real. Y lo que se encuentra, a pesar de ser lo esperado, no deja de
sorprenderme:
En la esquina superior izquierda se muestra la posición de
una pestaña que puede controlar el número de rendijas abiertas. El resultado es
espectacular, se ve cómo se forma y se pierde el patrón de interferencia al
pasar de una a dos rendijas abiertas y viceversa.
Señores y señoras, esto es cuántica en estado puro.
Concluyendo
La cuántica nos ha ofrecido muchas sorpresas y muchos
dolores de cabeza, y estoy seguro de que seguirá así por mucho tiempo. Sin
embargo, en pleno siglo XXI la cuántica forma parte de nuestras vidas y pasa de
forma totalmente desapercibida. Sin mucho exagerar, se puede decir que todas
las tecnologías de los últimos 60 años están relacionadas de un modo u otro con
la cuántica. Podríamos hablar de la importancia de la cuántica en la
estabilidad de la materia, el origen del universo, etc. Pero gracias a la
cuántica supimos manejar semiconductores, lo que nos llevó a una revolución en
la electrónica. También gracias a ella podemos hacer cosas tan cotidianas como
calentar nuestra leche en el microondas en cada desayuno. Cosas como los PET o
las resonancias magnéticas no hubieran llegado a nuestros hospitales sin haber
entendido la naturaleza cuántica de las cosas.
Está claro que no tiene sentido que todos seamos doctores en
física, y sería muy aburrido, pero a estas alturas una formación científica
solvente asegura poder entender el desarrollo y evolución de nuestra sociedad.
Además de que nos protege contra los nuevos magos que se están revistiendo de
palabrejas cientifoides para embaucar a los que no poseen información al
respecto.
Todos somos capaces de entender la cuántica en especial y la
física en general. No hace falta controlar todos los aspectos técnicos y
matemáticos, pero es importante quedarse con la idea y sorprenderse de lo
asombroso que es este universo que nos cobija. Una buena información científica
nos asegurará estar mejor preparados para el futuro que está por llegar.
Como siempre, he incluido estas reflexiones en mi blog
“Historias del LEAN”:
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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