Supercombate de Física: Relatividad vs Mecánica Cuántica… en el espacio

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Artículo publicado el 25 de junio de 2012 en The Physics ArXiv Blog

La única forma de estudiar el conflicto entre la relatividad y la mecánica cuántica es ponerlas a prueba en las enormes distancias del espacio. Y los físicos ya están haciendo planes sobre esto.

Uno de los mayores misterios de la ciencia moderna es que las leyes que gobiernan el universo en las escalas más grandes son completamente diferentes de las que lo gobiernan en las escalas más pequeñas.

Esto es extraño, ya que toda nuestra intuición sobre que el universo nos dice que debería ser consistente internamente en lugar de estar en conflicto con él mismo. Por esto es por lo que los físicos están totalmente unidos a la idea de que la relatividad y la mecánica cuántica deben ser manifestaciones de una idea mejor y más grande que abarque ambas.

Einstein © Crédito: shaunanyi


Las diferencias entre la relatividad general y la mecánica cuántica son tan grandes que, por el momento, ha fallado cualquier intento de reconciliarlas. Sin embargo, estos intentos han sido completamente teóricos y eso les ofrece una utilidad limitada.

Por ejemplo, los físicos miden rutinariamente el fenómeno cuántico del entrelazamiento enviando pares de fotones entrelazados desde un punto a otro. En estos experimentos, el emisor y receptor deben medir la polarización de los fotones, si es vertical u horizontal, por ejemplo. Pero esto solo puede suceder si ambas partes sabes qué dirección es arriba.

Esto es fácil de especificar cuando están cercanos. Pero se complica mucho más si están separados por distancias donde la curvatura del espacio-tiempo entra en juego. El problema aquí es que la respuesta es ambigua y depende del camino que sigue cada fotón a través del espacio-tiempo.

Los experimentadores pueden calcularlo rastreando cada fotón hasta su fuente común, si es que se conoce. Pero entonces, ¿cómo ‘sabe’ cada fotón el camino que ha tomado el otro? Los teóricos sólo pueden hacer conjeturas.

Otro problema surge cuando este tipo de experimentos se realizan con el emisor y receptor viajando a velocidades relativistas. Esto introduce el famoso problema de determinar el orden de eventos, que Einstein demostró que depende del punto de vista del observador.

Esto choca frontalmente con la predicción de la mecánica cuántica. Aquí la medida de un fotón entrelazado determina instantáneamente el resultado de una futura medida en el otro, sin importar la distancia entre ellos.

Si la relatividad especial asegura que el orden de eventos es ambiguo, ¿qué tenemos? De nuevo, una derrota para los teóricos.

Por supuesto, la forma de responder estas preguntas es ponerlas a prueba y ver lo que pasa.

Hoy, David Rideout de la Universidad de California en San Diego y algunos colegas perfilan varias formas de resolver estos problemas y dicen que este tipo de experimentos deberían ser posibles en el futuro cercano.

Esto, en gran medida, se debe a que las herramientas experimentales son estándar en muchos laboratorios ópticos, por lo que adaptarlos para su uso en el espacio debería ser sencillo.

Dos grupos ya han propuesto hacer este tipo de experimentos en el espacio. Un grupo quiere poner un conjunto de instrumentos capaz de generar fotones entrelazados en la Estación Espacial Internacional para lanzarlos de vuelta a la Tierra. Otro quiere mantener el equipo cuántico en el suelo y hacer rebotar los fotones en un simple microsatélite en la órbita baja de la Tierra, una opción que dicen será más barata, fácil y mejor.

Ningún grupo tiene una fecha de lanzamiento en mente, ni tan siquiera tienen fondos garantizados para construir las herramientas. Pero esto podría cambiar, dado el cada vez mayor nivel de interés en esta área y la posibilidad de que el trabajo chino pueda adelantar a los esfuerzos occidentales.

Más allá de esto, hay opciones a largo plazo para enviar fotones desde muy lejos – la Luna o una nave interplanetaria, por ejemplo.

El contexto es que para encontrar una nueva física los científicos tienen que llevar sus experimentos a nuevos límites. Los físicos no han sido capaces de poner a prueba la relatividad general en la escala cuántica (es decir, la escala de Planck de 10-34 m). No obstante, actualmente hay trabajos para explorar esta escala usando interferómetros atómicos.

Y hasta ahora, los físicos no han sido capaces de poner a prueba la mecánica cuántica en la escala de la relatividad general, debido a que la distancia a la que la curvatura del espacio-tiempo se hace significativa es demasiado grande. Vimos hace unas semanas que el récord para el teletransporte cuántico de objetos es de apenas 150 kilómetros, lo que es demasiado poco para que la relatividad general haga su magia.

Rideout y sus colegas dicen que esto cambiará en los próximos años. Las paradojas de la mecánica cuántica se debatieron por primera vez en las décadas de 1920 y 1930 por Einstein, Bohr y otros. Pero por varias razones, en particular por un prejuicio ciego contra este tipo de trabajo, no fue hasta las décadas de 1970 y 1980 cuando los físicos empezaron a ponerlas a prueba experimentalmente.

Las paradojas que surgen por el encuentro de la mecánica cuántica y la relatividad son igual de viejas y tal vez más profundas. Y los físicos todavía tienen que empezar un trabajo conjunto para explorarlas experimentalmente.

Ya va siendo hora de coger el toro por los cuernos.


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1206.4949: Fundamental Quantum Optics Experiments Conceivable With Satellites Reaching Relativistic Distances And Velocities

Fecha Original: 25 de junio de 2012
Enlace Original

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