La mecánica cuántica se hace, extrañamente, menos extraña

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Artículo publicado por Adrian Cho el 2 de junio de 2011 en Science Now

La incertidumbre no es lo que solía ser. Durante décadas, un experimento ha servido como ejemplo canónico a los físicos sobre el principio de incertidumbre: La ley de la naturaleza que dice que no puedes saber a la vez dónde está una partícula subatómica y cómo de rápido se mueve, y por tanto, no puedes seguir su trayectoria. Pero ahora, los físicos han ajustado este experimento clásico para demostrar que puedes seguir el camino medio tomado por muchas partículas, incluso aunque aún es imposible haber sobre el camino de alguna de ellas.

Doble rendija


Los resultados muestran que los límites a lo que podemos saber no son tan en blanco o negro como se pensaba en un tiempo. “Aquí tienes un tipo completamente nuevo de experimento que es mucho más profundo y te dice mucho más” que el experimento original, dice Sandu Popescu, teórico de la Universidad de Bristol en el Reino Unido, que no estuvo implicado en el trabajo.

En el famoso experimento de la doble rendija, los científicos lanzan un haz de luz a través de dos rendijas paralelas en una fina placa sobre una pantalla lejana. Las ondas se fusionan en las dos rendijas, y se solapan e interfieren entre sí para crear un patrón en forma de código de barras de bandas brillantes, donde las ondas se refuerzan entre sí, y las bandas oscuras donde se cancelan. Este “patrón de interferencia” es una marca identificativa del comportamiento ondulatorio. Sin embargo, la luz es una partícula además de una onda. Por lo que los experimentadores pueden detectar las partículas de luz aisladas, o fotones, cuando impactan en la pantalla.

Aquí viene la parte extraña. Si el haz de luz es lo bastante tenue, los fotones pasarán a través del aparato uno a uno. En ese caso, una persona razonable esperaría que el patrón de interferencia desapareciera, ya que parece lógico que cada fotón pase por una rendija u otra, eliminando la posibilidad de interferencia. Pero no, tras el paso de suficientes fotones, el patrón de interferencia surge de nuevo. Por lo que cada fotón debe, literalmente, pasar a través de ambas rendijas a la vez e interferir consigo mismo. Además, si el experimentador trata de determinar qué rendija atraviesa cada fotón – digamos, cerrando alternativamente una rendija y luego la otra – el patrón de interferencia desaparece realmente.

El experimento de la doble rendija demuestra que, dependiendo de cómo se mida, un fotón actuará como una partícula o una onda, pero no como ambas. También demuestra que no puede conocerse con exactitud dónde está el fotón (qué rendija está atravesando) y cuál es su momento (en qué ángulo surge de la rendija) haciendo imposible definir su camino.

Pero aún hay información que puede obtenerse. Sacha Kocsis de la Universidad Griffith en Brisbane, Australia, Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto en Canadá, y sus colegas han medido las trayectorias medias de muchos fotones en el experimento, tal y como informan Science. Extrañamente, el truco es hacer una medida del momento de cada fotón, la cual es tan débil que no revela básicamente nada sobre el mismo.

Para hacer esto, los investigadores jugaron con la polarización de la luz. Un fotón puede polarizarse de dos formas mutuamente excluyentes, derecha e izquierda, o gracias a la extrañeza de la mecánica cuántica, ambas a la vez. Los físicos empiezan con fotones en una mezcla 50-50 de polarización derecha e izquierda. Éste es el estado de mayor incertidumbre, dado que la medida de la polarización de cualquier fotón aleatoriamente dará derecha o izquierda con una probabilidad del 50%.

Tras surgir de las rendijas, los fotones pasaban a través de un cristal de calcita. Dependiendo del ángulo en el que el fotón atraviesa la calcita, se desequilibraría ligeramente la polarización de los fotones en la mezcla de 50-50. El efecto no revelaría mucho sobre el momento de un fotón, dado que una medida de su polarización aún arrojaría un valor de derecha o izquierda con una probabilidad aproximada del 50%. Pero podría revelar el momento medio de muchos fotones.

Para extraer esa información, los investigadores pasaron fotones a través de otro aparato antes de que impactasen en la pantalla. Medía efectivamente la polarización de cada fotón y desviaba los polarizados a la izquierda hacia arriba y los polarizados a la derecha hacia abajo. Entonces dos patrones de interferencia ligeramente distintos surgieron, uno justo sobre el otro. Para cualquier posición horizontal en la pantalla, los científicos podían comparar las intensidades de los dos patrones para determinar la polarización media y, por tanto, el momento de los fotones que alcanzan tal posición. Con tal información, rastreaban las trayectorias medias de los fotones, simplemente repitiendo el proceso mientras daban marcha atrás a la pantalla para crear una especie de mapa.

El experimento no viola la mecánica cuántica, dice Steinberg; cada fotón individual aún pasa a través de ambas rendijas. Pero subraya una comprensión emergente y más matizada de la teoría, comenta. “La explicación del libro de texto siempre ha sido, que si no preguntas [experimentalmente] sobre la posición del fotón en el aparato, entonces ni siquiera deberías discutirlo”, comenta. “Creo que alguna gente debería empezar a reconsiderar esto”. Popescu está de acuerdo en que, cuando se trata de medir las posiciones y momentos de muchas partículas, la mecánica cuántica no es la proposición de A ó B que normalmente se nos muestra. “Hasta cierto punto”, dice, “la mecánica cuántica te permite coger la galleta, y también comértela”.


Autor: Adrian Cho
Fecha Original: 2 de junio de 2011
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