Gotas que rebotan simulan el efecto Zeeman

Artículo publicado por Tim Wogan el 9 de julio de 2012 en physicsworld.com

Físicos de Francia han usado pares de gotas que rebotan en la superficie de un fluido para simular el efecto Zeeman – un fenómeno que desempeñó un papel importante en el desarrollo inicial de la mecánica cuántica. La capacidad de simular efectos puramente cuánticos usando un sistema clásico podría proporcionar una visión a cómo deberían interpretarse las matemáticas de la mecánica cuántica.

¿Qué significa la ecuación de Schrödinger? La cuestión se ha debatido por parte de los físicos desde que este pilar básico de la mecánica cuántica hizo su aparición hace casi 90 años. Aunque su poder predictivo se ha verificado muchas veces en laboratorios de todo el mundo, cómo deberían interpretarse exactamente las soluciones a la ecuación (las funciones de onda) es algo que aún no está claro.

Imagen de dos caminantes

Imagen de dos caminantes


La escuela de pensamiento más popular es la famosa “interpretación de Copenhague”, formulada por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920. Esta interpretación probabilística de la mecánica cuántica sostiene que las propiedades observables de una partícula no tienen valores definidos hasta que se miden. No obstante, este enfoque no está universalmente aceptado, y otra interpretación de la mecánica cuántica apoyada por algunos físicos es la conocida como “onda piloto”, formulada por Louis de Broglie en 1927 y más tarde desarrollada por David Bohm. Esta asume que las propiedades observables de las partículas cuánticas se definen en todo momento, pero que están guiadas por una onda, lo cual explica nítidamente la dualidad onda-partícula. Este es un ejemplo de teoría de variable oculta debido a que explica las propiedades medibles de la mecánica cuántica como consecuencia de una característica física real pero experimentalmente inaccesible – la onda.

¿Artificial o intuitivo?

Las dos teorías son matemáticamente indistinguibles, por lo que algunos físicos ven la “interpretación de Bohm” como un intento artificial de explicar los resultados experimentales de la mecánica cuántica sin abrazar la extrañeza de la interpretación de Copenhague. Sin embargo, en 1980 Michael Berry y sus colegas de la Universidad de Bristol en el Reino Unido usaron una analogía con ondas de superficie en un fluido clásico para llegar a una explicación más intuitiva de un extravagante fenómeno cuántico conocido como efecto Aharonov–Bohm (descubierto por el mismo Bohm).

Ahora, Yves Couder de la Universidad de París Diderot y sus colegas han explorado aún más esta analogía observando el comportamiento de diminutas gotas que rebotan, conocidas como “caminantes” cuando se mueven a lo largo de la superficie de un vibrante baño de aceite de silicona. Las gotas crean ondas en la superficie del fluido y, a su vez, se ven influidas por estas ondas. De acuerdo con Couder, esto proporciona un paralelismo interesante con el modelo de “onda piloto” de la mecánica cuántica.

“Existe una simbiosis entre la gota y la onda”,  explica Couder, “debido a que si no hay gota no hay onda. Y si no hay onda la gota no se mueve”. Couder y sus colegas creen que esta interacción entre el caminante y la onda que crea es un ejemplo de dualidad onda-partícula en un sistema clásico debido a que, aunque la gota se sitúa en el espacio como una partícula, su movimiento pueden verse influido por cualquier cosa que afecte a la onda piloto.

Estados ligados

Couder enfatiza que el sistema de su grupo no es una analogía exacta de la mecánica cuántica dado que, por ejemplo, requiere una entrada continua de energía que se logra haciendo vibrar el baño. Sin embargo, en anteriores investigaciones el grupo ha logrado usar caminantes para crear analogías clásicas de efectos cuánticos de difracción y tunelado de una única partícula. También han demostrado que dos caminantes pueden orbitarse entre sí para formar estados ligados, en una analogía de los estados ligados cuantizados de un átomo.

En la nueva investigación, el grupo investigó el efecto Zeeman – un efecto cuántico donde los niveles de energía de un átomo se dividen en presencia de un campo magnético externo. Un átomo es un estado ligado de un núcleo y uno o más electrones – y esto se simula mediante un estado ligado de dos caminantes.

Para crear una analogía de un campo magnético aplicado, los investigadores hicieron girar la bañera. El estado ligado de los dos caminantes quedaba entonces libre para rotar a favor o en contra del eje de rotación de la bañera – simulando los estados de momento angular orbital de un átomo. En ausencia del campo magnético simulado, ambos estados rotacionales tienen la misma energía. Sin embargo, cuando giraba la bañera la energía de los estados rotacionales se dividía, aumentando uno y disminuyendo el otro – al igual que los estados del momento angular de un átomo en un campo magnético. El equipo también vio abruptas transiciones entre niveles de energía.

Fernando Lund de la Universidad de Chile en Santiago, que ha dirigido un grupo de investigación que analiza problemas similares pero que no estuvo implicado en la investigación actual dice: “La característica más importante de este artículo, y de otros del mismo equipo, es el uso maestro de tecnología de vanguardia para llevar a cabo analogías entre la física clásica y cuántica que pueden visualizarse con facilidad”. Sugiere que podría ser interesante intentar visualizar otros fenómenos cuánticos usando medios clásicos. “Mi candidato favorito sería el espín semientero de algunas partículas como los electrones”, señala. “¡No veo otra forma de poder abordar la respuesta a esta pregunta!”

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.


Autor: Tim Wogan
Fecha Original: 9 de julio de 2012
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Comment (1)

  1. fandila

    Según este experimento y sus analogías, ¿dónde esta lo extraño o misterioso de lo cuántico?, al menos, para los supuestos que se exponen.

    Es algo así como visualizar el campo magnético de un imán mediante limaduras de hierro. Y más parece que el campo magnético sea “estático” porque las limaduras no se muevan y sólo se orienten. Pero es que el campo magnético no puede ser una corriente fluida de elementos sino una perturbación cíclica de micro giros que se van contagiando por el medio. Algo más parecido a una onda.

    Al experiento de las dos gotas ocurre algo parecido. La vibración del fluido que las activa sólo es un plano, si el experimento se realizase en el seno, dentro del liquido aceitoso, con dos gotas de otro liquido de densidad próxima pero distinta al de base, se dispondría de una simulación en tres dimensiones, más próxima a la realidad. Probablemente aparecerían los efectos de espín y la separación de los niveles energéticos según un ET, de geometría entre euclidiana y curva, algo más general.

    La ecuación de Schrödinger para las ondas es tan aproximada, que sólo puede darnos una información de bulto sobre la energía y más de bulto aún sobre la composición interna de una onda. Pese a todo, es tan valiosa, como que aún no tiene sustituto. Esta ecuación basada en la simplificación sinusoide no opera con las variaciones de amplitud y frecuencia sino de forma aproximada. La velocidad de oscilación, que ha de ser siempre una velocidad media, queda definida por las inflexiones máxima o mínima, que son reales, y no por los valores correspondiente a la curvatura de la onda, que no ha de ser sinusoide forzosamente, de manera continuada. La consecuencia de ello es una aproximación en el cálculo de la energía sólo válida parcialmente para valores de amplitud y frecuencia prefijados pues la variación, elongaciones o variaciones de energía, no van acorde con la variación de la curvatura interna de la onda que quizá más sea más propia de la semielipse achatada. Y ello es así, a nuestro entender, por un error en el concepto de onda. Al parecer la onda sólo oscila y se traslada, cuando los campos que la mantienen girán y se traladan de forma ondulante.
    A ver sin con estos experimentos simil consiguieramos “visualizar”, hacernos una idea, de lo que pudiera ocurrir en lo mas profundo de la materia. Para mí que en esos submundos las cosas no han de ser tan extrañas como creemos.

    Saludos

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