Abren un puente experimental entre el mundo cuántico y clásico

MiL0 · 15-07-2010 , 14:04:26

Un equipo de investigadores de Arizona State University cree haber abierto una ventana que ayude a aclarar por qué la laberíntica física del mundo microscópico termina manifestándose como la física clásica que captan nuestros sentidos en el mundo macroscópico cotidiano. Si así fuera, estaríamos a las puertas de responder a la pregunta que ha estado torturando a los físicos teóricos desde el nacimiento de la Mecánica Cuántica: ¿cómo emerge el mundo clásico a partir del cuántico?

En el mundo microscópico una partícula no está en un sitio concreto, de hecho ni siquiera existe tal cosa como una partícula, sino una función de onda inmedible a partir de la cual podemos hallar la probabilidad de encontrar dicha partícula. Además, la función de ondas puede ser la superposición de varios estados que colapsan a uno solo cuando se efectúa una medida. Incluso podemos tener dos partículas entrelazadas situadas a distancia de tal modo que el resultado del colapso de una de ellas determina el de la otra en una extraña acción a distancia instantánea.

La realidad que percibimos, la silla sobre la que nos sentamos, la casa donde vivimos, la montaña que escalamos o el cuerpo de nuestra amada están hechos de átomos regidos por los principios de la Mecánica Cuántica (MC). Todos esos objetos tienen una masa, un tamaño, un color, una forma o una textura y son incluso percibidos como "sólidos", pese a que en su mayoría son espacio vacío con unas escasas partículas organizadas adecuadamente. Es decir, los percibimos en una manifestación clásica corriente. La fuerza nuclear en sus dos variantes y el electromagnetismo permiten organizarlas bajo las reglas de la MC en lo que finalmente percibimos como "la realidad". Pero el mundo que percibimos con nuestros sentidos no tiene superposición de estados, ni colapso de funciones de ondas, ni acciones a distancia. En definitiva, no existen gatos de Schrödinger que maullen. La paradoja está ahí.

Un posible escenario que intenta aclarar esta aparente contradicción ha sido investigado por Adam Burke, Gil Speyer, Tim Day, Richard Akis, Gil Speyer, Brian Bennett y David Ferry. Sus resultados experimentales han sido publicados en Physical Review Letters y apoyan lo que se llama darwinismo cuántico.

Describen la transición del estado cuántico al clásico como un proceso de decoherencia en el que está implicada una progresión evolutiva análoga a la selección natural descrita en la evolución biológica de Darwin.

Los autores utilizan dos teorías denominadas decoherencia y darwinismo cuántico, ambas propuestas por Wojciech Zurek de Los Alamos National Laboratory. El concepto de decoherencia mantiene que muchos estados cuánticos colapsan en una amplia diáspora o dispersión cuando interactúan con el medio. A través de un proceso de selección, otros estados cuánticos aparecen en una estado final estable, denominado estado puntero, que está lo suficientemente "adaptado al medio" para ser transmitido a través del medio sin que colapse.

Estos estados simples con la mínima energía pueden entonces hacer copias de alta energía de sí mismos que pueden ser descritos mediante un proceso darwinista y observados a escala macroscópica en el mundo clásico.

Este grupo de investigadores ha realizado unos experimentos basados en puntos cuánticos para explorar esta idea. Los puntos cuánticos actúan a modo de pozos de potencial con dos contactos a través de los cuales pueden entrar o salir electrones.

Podemos utilizar una analogía propuesta por Burke para poder entender mejor lo que han hecho. Imaginemos que una mesa de billar es un punto cuántico y los contactos son las dos únicas troneras por donde pueden entrar y salir las bolas (electrones). Las paredes interiores actúan a modo de barreras en donde las bolas rebotan. Además, en la mesa de billar no hay fricción y una bola puede rebotar indefinidamente en su interior. De este modo, una bola (un electrón) entrante con una trayectoria dada permanecerá en el interior hasta que abandone la mesa (ésta es la parte correspondiente a la decoherencia). O puede que la trayectoria entrante sea tal que no le sea posible alcanzar una tronera para salir y sobreviva como un estado puntero, que es denominado estado diamante (presumiblemente debido a que forma un patrón similar a un rombo).

Una diferencia entre el mundo cuántico y clásico es que los electrones, a diferencia de las bolas de billar, pueden sufrir efecto túnel y atravesar el espacio de fases prohibido para alcanzar el estado diamante, estado que una bola clásica entrando por una tronera desde el exterior no hubiera encontrado por sí misma.

Es esta trayectoria clásica aislada y la construcción de la amplitud de la función de ondas del electrón a lo largo de la trayectoria a lo que se llama función de ondas marcada. Para medir experimentalmente estas funciones de onda, uno puede imaginar que está entre las paredes interiores de la mesa de billar y podemos contar las bolas que hay dentro. Esto es lo que normalmente es medido con la conductancia del sistema formado por el punto cuántico y su ambiente.

Estos investigadores midieron la corriente a través del punto cuántico, es decir, el número de "bolas de billar" por segundo, para tratar de ver cómo cambiaba según movían una sonda sobre la "mesa de billar". Contaban con un microscopio de puerta de barrido, que aplica un pequeño campo eléctrico. Su efecto se puede visualizar como una pequeña pared (o barrera) circular en la mesa de billar que se puede mover a voluntad dentro de la propia mesa (el punto cuántico).

Una bola que está viajando a lo largo de este patrón romboidal es perturbada si la barrera circular es situada en su trayectoria. Cuando esto pasa, puede ocurrir que la trayectoria se altere lo suficiente como para que la bola tome un nuevo curso dentro de la mesa de billar (dentro del punto cuántico) hasta que finalmente salga por una de las troneras para ser medida. El cambio en la trayectoria de la bola aparece como un cambio en la conductancia, es decir, en el número de bolas (electrones) que salen en un tiempo dado.

Como la ubicación de la barrera se va cambiando con un barrido, a modo similar al barrido de las antiguas pantallas de televisión, se puede levantar un mapa de las funciones de onda marcadas correspondientes a los estados punteros. De vez en cuando, un nuevo electrón pasará por estado túnel a estado diamante, así que las medidas pueden continuar hasta que el área al completo quede cubierta por el barrido.

Los datos obtenidos apoyan las teorías de la decoherencia y del darwinismo cuántico, según sostiene Burke. Según Ferry, los hallazgos son sólo un paso en un proceso abierto a la conjetura, pero apoyan la existencia del darwinismo cuántico y una nueva visión en la búsqueda de pruebas de cómo puede ocurrir la transición del mundo cuántico al clásico. Según él, si uno tiene en cuenta todo esto, se abre la puerta hacia una comprensión más profunda de lo que realmente está sucediendo en el corazón de la realidad física.

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