Engordando al gato de Schrödinger

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Artículo original publicado por Phillip Ball el 5 de abril de 2011 en Nature News.

Enormes moléculas pueden demostrar la dualidad onda-partícula de la teoría cuántica.

Investigadores de Austria han creado lo que llaman “los gatos de Schrödinger más gordos hasta la fecha”. Han demostrado la superposición cuántica – en la que un objeto existe en dos o más estados a la vez – para moléculas compuestas de hasta 430 átomos cada una, varias veces más grande que las moléculas usadas anteriormente en tales experimentos1.

schrodinger cat


En el famoso experimento mental ideado por Erwin Schrödinger en 1935 para ilustrar las aparentes paradojas de la teoría cuántica, un gato podría envenenarse o no dependiendo del estado de un átomo – estando el estado del átomo gobernado por las reglas cuánticas. Debido a que la teoría cuántica requería que estas reglas permitieran superposiciones, parecía que el propio gato de Schrödinger podría existir en una superposición de estados ‘vivo’ y ‘muerto’.

La paradoja destaca la cuestión de cómo y cuándo las reglas del mundo cuántico – en el cual objetos tales como átomos pueden existir en varias posiciones a la vez – dan paso a la mecánica ‘clásica’ que gobierna el mundo macroscópico de nuestra experiencia cotidiana, donde las cosas deben ser una forma u otra, pero no ambas a la vez. Esto es lo que se conoce como transición de cuántica a clásica.

Generalmente se piensa que la ‘cuanticidad’ se pierde en un proceso conocido como decoherencia, en el cual las perturbaciones del entorno inmediato hacen que la función de onda cuántica que describe superposiciones de muchos estados parece colapsar en un estado único, clásico, bien definido. Esta decoherencia tiende a hacerse más pronunciada cuanto mayor es el objeto, dado que las oportunidades de interactuar con el entorno aumentan.

Una manifestación de la superposición cuántica es la interferencia que puede tener lugar entre las partículas cuánticas que pasan a través de dos o más rendijas estrechas. En el mundo clásico las partículas pasan a través de las mismas con trayectorias que no cambian, como balones de fútbol rodando a través de una puerta.

Pero las partículas cuánticas pueden comportarse como ondas, las cuales interfieren entre sí cuando pasan a través de las rendijas, ya sea aumentando o cancelándose para producir una serie de bandas oscuras y brillantes. Esta interferencia de partículas cuánticas, vistas por primera vez para electrones en 1927, es el resultado de cada partícula pasando a través de más de una rendija: Una superposición cuántica.

Cuando el experimento aumenta de escala, en algún punto el comportamiento cuántico (interferencia) debería dar paso al clásico (sin interferencia). Pero, ¿cómo de grandes pueden ser las partículas antes de que esto suceda?

Aumentando de escala

En 1999, un equipo de la Universidad de Viena demostró la interferencia en un experimento con múltiples rendijas usando haces de moléculas de carbono de 60 átomos (C60), que tienen la forma de esferas huecas2. Ahora, Markus Arndt, uno de los investigadores implicados en el experimento, y sus colegas de Austria, Alemania, Estados Unidos y Suiza han demostrado un efecto muy similar para moléculas considerablemente mayores hechas a medida para el propósito — de hasta 6 nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro y compuestas de 430 átomos. Éstas son mayores que algunas moléculas proteicas humanas, como la insulina.

En el experimento del equipo, los haces de moléculas se pasan a través de tres conjuntos de rendijas. La primera rendija, hecha de un trozo de nitruro de silicio con un patrón en rejilla que consiste en rendijas de 90 nanómetros de ancho, fuerza al haz molecular a un estado coherente, en el cual las ondas de materia van todas al unísono. La segunda, una ‘rejilla virtual’ hecha de luz láser está formada por espejos en una onda estacionaria de luz y oscuridad, provoca el patrón de interferencia. La tercera rejilla, también de nitruro de silicio, actúa como una máscara para admitir partes del patrón de interferencia a un espectrómetro de masas cuadripolar, el cual cuenta el número de moléculas que pasan a través del mismo.

Los investigadores informan hoy en Nature Communications que este número sube y baja periódicamente, conforme el haz de salida es barrido de izquierda a derecha, mostrando que la interferencia, y por tanto la superposición, está presente.

Aunque esto podría no sonar similar al experimento del gato de Schrödinger, estudia los mismos efectos cuánticos. Es esencialmente como disparar los propios gatos a la rejilla de interferencia, en lugar de hacer contingente el destino de un único gato con un evento de escala atómica.

El físico cuántico Martin Plenio de la Universidad de Ulm en Alemania, dice que el estudio es parte de una importante línea de investigación. “Tal vez no hemos logrado una profunda nueva visión de la naturaleza de la superposición cuántica a partir de este experimento específico”, admite, “pero hay esperanza de que con un mayor refinamiento de la técnica experimental finalmente llegaremos a descubrir algo nuevo”.

Arndt dice que tales experimentos podrían llegar finalmente a permitir pruebas sobre aspectos fundamentales de la teoría cuántica, tales como de qué forma colapsan las funciones de onda bajo la observación. “Las predicciones, tales como que la gravedad podría inducir el colapso de la función de onda más allá de un cierto límite de masa, debería poder ponerse a prueba a masas significativamente mayores en experimentos en el futuro lejano”, comenta.

¿Pueden los organismos – tal vez no gatos, pero microorganismos tales como bacterias – estar en estados de superposición? Esto se ha propuesto para virus3, los más pequeños de los cuales tienen apenas unos nanómetros de diámetro – aunque no hay consenso sobre si los virus deberían considerarse que están realmente vivos. “Las moléculas hechas a mano son mucho más fáciles de manejar que los virus en tales experimentos”, dice Arndt. Pero añade que si pueden abordarse varios problemas técnicos, “no veo por qué no debería funcionar”.


Referencias:

1.- Gerlich, S. et al. Nature Commun. doi:10.1038/ncomms1263 (2011).
2.- Arndt, M. et al. Nature 401, 680-682 (1999).
3.- Romero-Isart, O. , Juan, M. L. , Quidant, R. & Cirac, J. I. New J. Phys. 12, 033015 (2010).

Autor: Phillip Ball
Fecha Original: 5 de abril de 2011
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