«Quantum physics: What is really real?»
por Zeeya Merali, 20 de mayo 2015
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A Owen Maroney le preocupa que los físicos hayan pasado la mayor parte de un siglo participando en un fraude.
Desde que se inventó la teoría cuántica a principios de 1900, explica Maroney, físico de la Universidad de Oxford, Reino Unido, han estado hablando de lo extraña que es –cómo es que las partículas y los átomos se mueven en muchas direcciones a la vez, por ejemplo, o girar en sentido horario y en sentido antihorario simultáneamente. Pero hablar no es una prueba, dice Maroney. «Si le decimos al público que la teoría cuántica es rara, es mejor salir y probar que en realidad es cierto», dice. «De lo contrario no estamos haciendo ciencia, sólo estamos explicando algunos divertidos garabatos en una pizarra.»
Este sentimiento es el que ha llevado a Maroney y a otros a desarrollar una nueva serie de experimentos que revelen la naturaleza de la función de onda, esa misteriosa entidad que se encuentra en el corazón de la rareza cuántica. Sobre el papel, la función de onda es simplemente un objeto matemático que los físicos denotan con la letra griega psi (Ψ) –uno de divertidos garabatos de Maroney– y se usa para describir el comportamiento cuántico de una partícula. Dependiendo del experimento, la función de onda les permite calcular la probabilidad de observar un electrón en cualquier lugar determinado, o las posibilidades de que su giro se oriente hacia arriba o hacia abajo. Pero las matemáticas no arrojan luz sobre lo que realmente es una función de onda. ¿Es una cosa física? ¿O simplemente es una herramienta de cálculo para manejar la ignorancia de un observador acerca del mundo?
Las pruebas que se utilizan para trabajar en ello son extremadamente sutiles, y todavía tienen que producir una respuesta definitiva. Pero los investigadores son optimistas acerca de que una solución está cerca. Si esto es así, puede que finalmente seamos capaces de responder a las preguntas que han persistido durante décadas. ¿Puede una partícula realmente estar en varios lugares al mismo tiempo? ¿Está el universo continuamente escindiéndose en mundos paralelos, cada uno con una versión alternativa de nosotros mismos? ¿Existe eso llamado realidad objetiva?
«Esta clase de preguntas son las que todo el mundo se ha preguntado en algún momento», dice Alessandro Fedrizzi, físico de la Universidad de Queensland, en Brisbane, Australia. «Qué es realmente lo real?»
Los debates sobre la naturaleza de la realidad se remontan a los primeros días que los físicos de la teoría cuántica constataron que las partículas y las ondas son dos caras de la misma moneda. Un ejemplo clásico es el experimento de doble rendija, en el que los electrones individuales se encienden en una barrera con dos aberturas: el electrón parece pasar a través de ambas rendijas exactamente de la misma manera que lo hace una onda de luz, creando un patrón de bandas de interferencia en el otro lado (ver ‘rarezas onda-partícula‘). En 1926, el físico austriaco Erwin Schrödinger inventó la función de onda para describir este comportamiento, e ideó una ecuación que permite a los físicos calcularla en cualquier situación (1) dada. Pero ni él ni nadie podía decir nada sobre la naturaleza de la función de onda.
La ignorancia es felicidad
Desde una perspectiva práctica, su naturaleza no importa nada. El libro de texto de la interpretación de Copenhague de la teoría cuántica, desarrollada en la década de 1920, principalmente por los físicos Niels Bohr y Werner Heisenberg, trata a la función de onda como nada más que una herramienta para predecir los resultados de las observaciones, y advierte a los físicos que no se preocupen por la realidad que hay debajo . «No se puede culpar a la mayoría de los físicos de seguir este etos ‘cállate y calcula’, ya que ha dado lugar a grandes avances en la física nuclear, la física atómica, la física de estado sólido y la física de partículas», señala Jean Bricmont, un físico estadístico de la Universidad Católica de Lovaina, en Bélgica. «Así que, ellos dicen, venga, no nos preocupemos por las grandes preguntas.»
Pero algunos físicos sí se preocupan de alguna manera. Allá por la década de 1930, Albert Einstein rechazó la interpretación de Copenhague, y no tanto porque permitiera que dos partículas entrelazaran sus funciones de onda, produciendo una situación en la que las mediciones en una pudiesen determinar instantáneamente el estado de la otra, incluso cuando las partículas estuvieran separadas por grandes distancias. En vez de aceptar lo que llamó la «acción fantasmal a distancia», Einstein prefería creer que funciones de onda de las partículas estaban incompletas. Quizás, sugirió, las partículas tienen algún tipo de «variables ocultas» que determinan el resultado de la medición, pero que las teorías cuánticas no captan.
Los experimentos desde entonces han demostrado que esta acción fantasmal a distancia es muy real, lo que descarta la versión particular de variables ocultas que defendía Einstein. Pero eso no ha impedido que otros físicos den sus propias interpretaciones. Estas interpretaciones se dividen en dos grandes campos. Los que están de acuerdo con Einstein de que la función de onda representa nuestra ignorancia –eso que los filósofos llaman, modelo epistémico-psi. Y los que vern la función de onda como una entidad real, modelo óntico-psi.
Para apreciar la diferencia, considere el experimento mental que Schrödinger describió a Einstein en una carta de 1935. Imagine que un gato está encerrado en una caja de acero. E imagine que la caja también contiene una muestra de material radiactivo que tiene un 50% de probabilidades de emitir en una hora un producto desintegrante, y a su lado un aparato que va a envenenar el gato si detecta tal desintegración. Debido a que la desintegración radiactiva es un evento cuántico, escribió Schrödinger, las reglas del estado de la teoría cuántica dice que, al cabo de la hora, la función de onda en el interior de la caja debe ser una mezcla igual a la de gato vivo y gato muerto.
«Hablando claro», dice Fedrizzi, «según el modelo epistémico-psi el gato de la caja está vivo o está muerto, y nosotros simplemente no lo sabemos porque la caja está cerrada». Sin embargo, la mayoría de los modelos ónticos-psi, de acuerdo con la interpretación de Copenhague, hasta que un observador no abre la caja y mira, el gato está vivo y está muerto.
Pero aquí es donde el debate se queda atascado. ¿Cuál de las diversas interpretaciones de la teoría cuántica es la correcta? Eso es una pregunta difícil de responder de forma experimental, debido a que las diferencias entre los modelos son sutiles: para ser viable, tienen que predecir esencialmente los mismos fenómenos cuánticos tal como tuvo éxito la interpretación de Copenhague. Andrew White, físico de la Universidad de Queensland, afirma que, en la mayor parte de sus 20 años de carrera en las tecnologías cuánticas «el problema era como subir una montaña lisa y gigante sin puntos de apoyo, no hay manera de atacarla».
Eso cambió en 2011, con la publicación de un teorema sobre las mediciones cuánticas que parecía descartar los modelos de la ignorancia de la función de onda (2). Sin embargo, bajo una inspección más cercana, el teorema resultó dejar suficiente margen de maniobra para que dichos modelos puedan sobrevivir. No obstante, esto inspiró a los físicos acerca de pensar seriamente en la manera de resolver el debate de probar la realidad [óntica] de la función de onda. Maroney ya había ideado un experimento que en principio debería funcionar (3), y tanto él como otros pronto encontraron la manera de hacer que funcionara en la práctica (4), (5), (6). El experimento fue llevado a cabo el año pasado por Fedrizzi, White y otros (7).
Para ilustrar la idea que había detrás de la prueba, imagine dos mazos de cartas. Una conteniendo sólo cartas rojas; la otra conteniendo solamente ases. «Tú das una carta y pides que la identifiquen sobre la mesa», explica Martin Ringbauer, físico de la Universidad de Queensland. “Si es un as rojo, hay una superposición y usted no será capaz de decir de qué mazo viene». Pero si usted sabe cuántas cartas de cada tipo están en cada mesa, al menos podrá calcular con qué frecuencia se producirán este tipo de situaciones ambiguas.
En la estacada
Una ambigüedad similar ocurre en los sistemas cuánticos. No siempre es posible que una sola medición en el laboratorio pueda distinguir cómo se polariza un fotón. «En la vida real, es bastante más fácil decir al oeste desde un poco al sur del este, pero en los sistemas cuánticos, no es tan simple», dice White. De acuerdo con la interpretación estándar de Copenhague, no hay ningún punto al que preguntar qué polarización es, porque la pregunta no tiene respuesta, o al menos, no hasta que otra medición puede determinar que una respuesta precisa.
Eso es esencialmente lo que probó el equipo de Fedrizzi. El grupo midió la polarización y otras características en un haz de fotones, y se encontró con un nivel de solapamiento que no podía ser explicado por los modelos de la ignorancia. Los resultados apoyan el punto de vista alternativo de que, si existe una realidad objetiva, entonces, la función de onda es real. «Es realmente impresionante que el equipo haya sido capaz de abordar un tema tan profundo, con lo que en realidad es un experimento muy simple», dice Andrea Alberti, físico de la Universidad de Bonn en Alemania.
La conclusión, aun asi, sigue sin estar blindada, porque los detectores solamente recogen alrededor de una quinta parte de los fotones utilizados en la prueba, el equipo tuvo que asumir que los fotones perdidos se comportaban de la misma forma (7). Eso es una gran suposición, y el grupo está actualmente trabajando en cerrar la brecha de muestreo para producir un resultado definitivo. Entre tanto, el equipo de Maroney, en Oxford, está colaborando con un grupo de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia, para realizar pruebas similares con iones, que son más fáciles de seguir que los fotones. «En los próximos seis meses podremos tener una versión indiscutible de este experimento», dice Maroney.
Pero incluso si sus esfuerzos tienen éxito y los modelos de función de onda como realidad óntica se ven favorecidos, tales modelos vendrán en una variedad de sabores, y los experimentadores aún tendrán que elegir aparte.
Uno de esas primeras interpretaciones fue establecida en 1920 por el físico francés Louis de Broglie (8), y ampliada en 1950 por el físico estadounidense David Bohm (9), (10). De acuerdo con los modelos de Broglie-Bohm, las partículas tienen ubicaciones y propiedades definidas, pero son guiadas por algún tipo de ‘onda piloto’ que a menudo se identifica con la función de onda. Esto explicaría el experimento de la doble rendija, ya que la onda piloto sería capaz de viajar a través de las dos rendijas y producir un patrón de interferencia en el otro lado, a pesar de que el electrón que lo guía tendría que pasar a través de una u otra hendidura.
En 2005, la mecánica de Broglie-Bohm recibieron un impulso experimental desde una fuente inesperada. Los físicos, Emmanuel Fort, ahora en el Instituto Langevin de París, e Yves Couder, en la Universidad Diderot de París, dieron a los estudiantes en una clase de laboratorio, lo que pensaban que sería una tarea bastante sencilla: construir un experimento para ver cómo las gotas de aceite que caen en un bandeja llena de aceite se fusionarían conforme se hiciera vibrar la bandeja. Para sorpresa de todos, se empezaron a formar ondas alrededor de las gotitas cuando la bandeja topaba con una cierta frecuencia de vibración. «Las gotas estaban auto-propulsándose –surfeaban o caminaban sobre sus propias ondas–«, relataba Fort. «Esto era un objeto dual que estábamos viendo, una partícula impulsada por una onda.»
Desde entonces, Fort y Couder han demostrado que tales ondas pueden guiar a estos ‘caminantes’ a través del experimento de la doble rendija según lo predicho por la teoría de la onda piloto, y puede imitar otros efectos cuánticos (11). Esto no prueba que existan ondas piloto en el reino cuántico, advierte Fort. Pero sí muestran cómo podría funcionar una onda piloto a escala atómica. «Nos enseñaron que tales efectos no podían suceder en la física clásica, y aquí se demuestra que sí lo hacen.»
Otro conjunto de modelos basados en la realidad, ideado en la década de 1980, trata de explicar las sorprendentemente distintas propiedades de los objetos pequeños y los grandes. «¿Por qué los electrones y los átomos pueden estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo, y las mesas, las sillas, la gente y los gatos no pueden», espeta Angelo Bassi, físico de la Universidad de Trieste, Italia. Las conocidas como «modelos colapso’, estas teorías postulan que las funciones de onda de las partículas individuales son reales, pero que pueden perder espontáneamente sus propiedades cuánticas y pasar a partícula en, digamos, de una sola ubicación. Los modelos están configurados de manera que las probabilidades de que esto ocurra son infinitesimales para una sola partícula, por lo que los efectos cuánticos dominan a escala atómica. Sin embargo, la probabilidad de colapso crece astronómicamente conforme las partículas se agrupan, por lo que los objetos macroscópicos pierden sus características cuánticas y se comportan de manera clásica.
Una forma de probar esta idea es buscar el comportamiento cuántico en objetos más y más grandes. Si la teoría cuántica estándar es correcta, no hay límite. Y los físicos ya han llevado a cabo experimentos de interferencia de doble rendija con grandes moléculas (12). Pero si los modelos de colapso son correctos, entonces los efectos cuánticos no aparecerían por encima de una cierta masa. Varios grupos están planeando para buscar ese punto de corte usando átomos, moléculas, cúmulos y nanopartículas metálicas frías. Tienen la esperanza de ver resultados dentro de una década. «Lo bueno de todo este tipo de experimentos es que vamos a estar sometiendo la teoría cuántica a pruebas de alta precisión, a las que nunca se ha sometido antes», comenta Maroney.
Mundos paralelos
Un modelo de función de onda como realidad ya es famoso y querido por los escritores de ciencia-ficción: la interpretación de varios mundos desarrollado en 1950 por Hugh Everett, entonces estudiante graduado en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. En esta imagen de muchos mundos, la función de onda gobierna la evolución de la realidad tan profundamente que siempre que se hace una medición cuántica, el universo se divide en copias paralelas. En otras palabras, abres la caja del gato y se ramifican dos mundos paralelos, uno con un gato vivo y otro que contiene un cadáver.
La distinguida interpretación de universos paralelos de Everett desde la teoría cuántica estándar es difícil, porque ambas hacen exactamente las mismas predicciones. Pero el año pasado, Howard Wiseman, en la Universidad de Griffith, en Brisbane, y sus colegas, propusieron un comprobable modelo multiverso (13). Su marco no contiene la función de onda: las partículas obedecen reglas clásicas como las leyes del movimiento de Newton. Los efectos extraños observados en los experimentos cuánticos surgen porque hay una fuerza de repulsión entre partículas y sus clones en los universos paralelos. «La fuerza de repulsión entre ellos crea ondas que se propagan a través de todos estos mundos paralelos», dice Wiseman.
El uso de simulaciones por ordenador con 41 mundos interactuando, ha demostrado que este modelo reproduce más o menos un número de efectos cuánticos, incluyendo las trayectorias de las partículas en el experimento de la doble rendija (13). El patrón de interferencia se hace más cercano al predicho por la teoría cuántica estándar conforme el número de mundos aumenta. Dado que esta teoría predice resultados diferentes en función del número de universos, apunta Wiseman, debería ser posible idear maneras de comprobar si su modelo multiverso es correcto, lo que significaría que no hay una función de onda y la realidad es enteramente clásica.
Debido a que el modelo de Wiseman no necesita una función de onda, seguirá siendo viable incluso si los experimentos futuros descartan los modelos epistémicos de la ignorancia. También le sobrevivirían modelos, como la interpretación de Copenhague, que sostienen que no hay realidad objetiva, sólo mediciones.
Pero entonces, dice White, este es el último desafío. Aunque, claro, no se sabe cómo hacerlo, dice, «lo que de verdad sería realmente emocionante es idear una prueba para comprobar si existe, de hecho, alguna realidad objetiva por ahí.»
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Imagen, El experimento de las gotas de aceite. Dan Harris/MIT
Imagen, Rarezas onda-partícula
Referencia:
(1) Schrödinger, E. Phys. Rev. 28, 1049 (1926).
(2) Pusey, M. F., Barrett, J. y Rudolph, T. Nature Phys. 8, 475–478 (2012).
(3) Maroney, O. J. E. Preprint at http://arxiv.org/abs/1207.6906 (2012).
(4) Barrett, J., Cavalcanti, E. G., Lal, R. & Maroney, O. J.E. Phys. Rev. Lett. 112, 250403 (2014).
(5) Leifer, M. S. Phys. Rev. Lett. 112, 160404 (2014).
(6) Branciard, C. Phys. Rev. Lett. 113, 020409 (2014).
(7) Ringbauer, M. et al. Nature Phys. 11, 249–254 (2015).
(8) de Broglie, L. J. Phys. Radium 8, 225–241 (1927).
(9) Bohm, D. Phys. Rev. 85, 166–179 (1952).
(10) Bohm, D. Phys. Rev. 85, 180–193 (1952).
(11) Couder, Y. & Fort, E. Phys. Rev. Lett. 97, 154101 (2006).
(12) Eibenberger, S., Gerlich, S., Arndt, M., Mayor, M. y Tüxen, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 14696–14700 (2013).
(13) Hall, M. J. W., Deckert, D.-A. & Wiseman, H. M. Phys. Rev. X 4, 041013 (2014). – See more at: http://bitnavegante.blogspot.com.es/2015/05/fisica-cuantica-que-es-realmente-lo-real.html#sthash.htBJDwaf.dpuf
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Peter Lynds. Foto: B. Yigitoz.
El profesor Truscott (izquierda) y Khakimov, hacienod el experimento. Imagen: Stuart Hay. Fuente: ANU.
Mapa holográfico descubierto por Ooguri y sus colaboradores: La fórmula matemática derivada por los científicos que relaciona datos locales de las dimensiones extra de la teoría gravitacional (punto rojo) es expresada en términos de entrelazamientos cuánticos (cúpulas azules). Imagen: Jennifer Lin et al. Fuente: IPMU.
