Tres experimentos de física cuántica «imposibles» que han sido probados y que son muy difíciles de creer

«Si crees que entiendes la física cuántica, realmente no entiendes la física cuántica». No lo decimos nosotros. Dice Richard Feynman, premio Nobel de Física por sus contribuciones a la electrodinámica cuántica y uno de los científicos más admirados del siglo XX. La mecánica cuántica estudia las leyes que gobiernan el mundo de los muy pequeños, de las partículas, y las interacciones a las que están expuestas las estructuras atómicas y subatómicas. Y la mayoría de esas reglas son radicalmente diferentes de las leyes con las que nos hemos familiarizado en el mundo en el que vivimos. En el mundo macroscópico.

Feynman y otros científicos que también han hecho importantes contribuciones a la mecánica cuántica han argumentado con vehemencia que tratar de comprender esta rama de la física es un esfuerzo inútil. Sus leyes son tan diferentes de las que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico que están más allá de nuestra comprensión. Por esta razón, es razonable aceptarlos una vez han sido confirmados experimentalmente. No más. Tómelos como las leyes que describen el comportamiento del Universo, y eso puede no tener un propósito. O quizás sí.

Las leyes de la mecánica cuántica son tan diferentes de lo que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico que están más allá de nuestra comprensión. Lo razonable es aceptarlos una vez confirmados experimentalmente. Sin darles más vueltas

Aceptar la complejidad y la capacidad de impregnar todo nuestro mundo que tiene la física cuántica es posiblemente la mejor forma de reconciliarse con esta disciplina científica. Los tres experimentos de los que vamos a hablar en este artículo ilustran a la perfección lo poco intuitivo que es este campo. Y también lo emocionante que puede ser si lo acepta aceptando su incapacidad para comprender sus leyes. Posiblemente en el futuro tendremos que seguir conformándonos con describirlos como, de alguna manera, sugiere Richard Feynman con otra frase suya que ha pasado merecidamente a la posteridad: «Hay que tener la mente abierta, pero no tanto que dejas caer el cerebro al suelo ».

El experimento de Stern y Gerlach

Spin es una cantidad cuántica. Lo sabemos gracias al experimento realizado por los físicos alemanes Otto Stern y Walther Gerlach en 1922. Esa investigación fue crucial para establecer las bases experimentales de la mecánica cuántica y nos ayudó a comprender que las partículas tienen propiedades cuánticas. Y que, lo que es aún más sorprendente, cuando medimos estas propiedades las estamos alterando por el mero hecho de observarlas. Pero es mejor que comencemos por el principio.

El experimento de Otto Stern y Walther Gerlach fue crucial para fortalecer las bases experimentales de la mecánica cuántica y nos ayudó a comprender que las partículas tienen propiedades cuánticas.

Lo que hicieron Stern y Gerlach en su experimento fue lanzar un rayo de átomos de plata para golpear una pantalla después de haber pasado a través de un campo magnético no homogéneo generado por un imán. Los átomos de plata tienen un momento magnético que los hace interactuar con el campo magnético, y al observar la pantalla estos físicos se dieron cuenta de que algunos átomos se habían desviado hacia arriba y otros hacia abajo. Pero lo realmente sorprendente fue que la huella que dejaron los átomos cuando golpearon la pantalla no cubría todos los posibles valores de giro.

Solo había dos grandes áreas de impacto claramente ubicadas, por lo que una de ellas correspondía al giro positivo y la otra al giro negativo, lo que refleja claramente que es una magnitud cuántica que no tiene correspondencia en el mundo macroscópico que observamos en nuestro día a día. En ese caso, ¿cuál es el giro? No es fácil definirlo de una manera fácilmente comprensible, pero podemos imaginarlo como un giro característico de partículas elementales sobre sí mismas que tiene un valor fijo y que, junto con la carga eléctrica, es una de las propiedades intrínsecas de estas partículas.

El electrón, que tiene espín 1/2, tiene que dar dos vueltas sobre sí mismo para recuperar su posición original. Esta característica es muy poco intuitiva, pero aún menos lo es el hecho de que al medir el giro de una partícula en un eje la información se destruye automáticamente de la medida en cualquier otro eje. ¿Por qué? Simplemente porque las leyes de los sistemas atómicos y subatómicos lo dictan. Como nos recuerda Feynman, lo mejor es asumir que la naturaleza se comporta de esta manera y no hacer vanos esfuerzos por tratar de comprender a qué obedece este comportamiento.

El efecto zeno cuántico

El nombre de este fenómeno se debe a Zenón de Elea, filósofo griego del siglo V a.C. C. discípulo de Parménides, y fue descrito por primera vez por Alan Turing, el matemático inglés que sentó las bases de los algoritmos y la inteligencia artificial, entre otros logros por los que merecidamente ha pasado a la historia. Turing se dio cuenta de que si observas un estado cuántico retrasas su evolución en el tiempo, de modo que si lo observas un número infinito de veces Permanecerá en ese mismo estado por tiempo indefinido. Nuevamente nos encontramos ante un fenómeno absolutamente contradictorio, que, a pesar de lo extraño que es, ha sido probado experimentalmente muchas veces.

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Alan Turing estableció que si observas un estado cuántico un número infinito de veces permanecerá en ese mismo estado indefinidamente.

Curiosamente, este fenómeno juega un papel esencial en el funcionamiento de las computadoras cuánticas. Para entender por qué necesitamos revisar el principio de superposición de estados, que sostiene que en un procesador cuántico de n qubits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de n unos y ceros. Cada una de estas posibles colecciones tiene una probabilidad que nos dice, de alguna manera, cuánto de esa colección en particular hay en el estado interno de la máquina, que está determinada por la combinación de todas las colecciones posibles en una proporción específica indicada por el probabilidad de cada uno de ellos.

Como ves, es un tema complejo, pero aún no hemos llegado a la parte más interesante: el efecto de superposición cuántica solo queda hasta el momento en que medimos el valor de un qubit. Cuando realizamos esta operación, la superposición colapsa y el qubit asume un único valor, que será 0 o 1. Así funcionan los ordenadores cuánticos, sin entrar en detalles aún más complicados. El colapso del estado qubit fue descrito por Alan Turing mucho antes de la invención de estas máquinas, reflejando el inmenso legado que nos ha dejado este colosal científico. Si quieres investigar y conocer con más detalle cómo funcionan las computadoras cuánticas, te sugiero que le eches un vistazo al artículo que enlazo aquí.

Computadora cuántica

Doble raja de Thomas Young

El experimento de la doble rendija fue diseñado por el científico inglés Thomas Young en 1801 con el propósito de averiguar si la luz tenía naturaleza ondulatoria o si, por el contrario, estaba formada por partículas. El resultado que obtuvo en ese momento le llevó a creer que, como Hooke y Huygens habían predicho mucho antes, la luz estaba formada por ondas. Lo que Young no podía imaginar es que muchos años después, a principios del siglo XX, su experimento se repetiría muchas veces para probar la dualidad onda-partícula, que es uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica.

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El experimento de la doble rendija se utiliza para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz y la dualidad onda-partícula de la materia.

Este fenómeno cuántico se ha demostrado empíricamente en innumerables ocasiones y revela que no existe una diferencia fundamental entre partículas y ondas; las partículas pueden exhibir el mismo comportamiento ondulatorio en algunos experimentos y preservar su naturaleza discreta en otros. A lo largo del siglo XX, el experimento de Young se ha ido perfeccionando poco a poco, y durante décadas los científicos han estado tan convencidos de que la naturaleza ondulatoria de la luz como de la dualidad onda-partícula de la materia.

En su forma más sofisticada, el experimento de la doble rendija consiste en lanzar una sucesión de electrones (aunque también se pueden utilizar protones o neutrones) hacia una pantalla, pero de tal forma que se interpone una hoja entre la fuente de electrones y la pantalla. en el que previamente se han realizado dos rendijas muy finas. Al lanzar los electrones uno por uno en las rendijas y posteriormente analizar en qué área de la pantalla chocan, los científicos han verificado que cada electrón Pasó por ambas ranuras simultáneamente, lo que demuestra, en efecto, que se comportan como si fueran ondas. En su experimento original, Thomas Young usó un rayo de luz en lugar de electrones, pero el patrón de interferencia que obtuvo en la pantalla fue esencialmente el mismo que el que obtienen los científicos de hoy al usar electrones u otras partículas.

Doble hendidura

Lo mejor llega justo al final. Si te sorprendió lo que hemos visto hasta ahora a lo largo de este artículo, prepárate. Si colocamos un instrumento detrás de la doble rendija que nos permita medir por cuál de ellos pasa cada electrón, el patrón de interferencia desaparece. Esto significa que en el momento en que decidimos medir por qué rendija pasa un electrón, deja de comportarse como una onda y comienza a comportarse como una partícula. En ese momento comprobamos que pasa solo por una fisura, y no por ambas. De algun modo hemos eliminado el efecto cuántico.

Sin embargo, lo más improbable es que no importe cuando decidamos llevar a cabo la medida. Si utilizamos el instrumento para comprobar por qué rendija ha pasado una partícula mucho tiempo después de haberlo hecho y ha impactado en la pantalla, también se elimina el efecto cuántico, por lo que estamos alterando algo que ha pasado antes, y eso describe la forma en que la partícula se ha movido hacia la pantalla. Verá, Richard Feynman tenía razón. Es preferible que aceptemos que la mecánica cuántica funciona de esa manera porque eso es lo que nos dicen los experimentos. Es inútil insistir más en este asunto.

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