En dos lugares el mismo tiempo

¿Está regido el mundo subatómico por leyes distintas a las del mundo macro o las mismas leyes son percibidas distintas en ambos mundos? Un nuevo experimento con átomos de cesio sugiere que la observación elimina la superposición en el mundo macro

Por Glenys Álvarez

Imagina que lances una bola de papel a la papelera y que obtengas dos resultados distintos: una bola de papel está ahora dentro de la papelera, pero la misma bola también se encuentra fuera de ella. No estamos acostumbrados a este tipo de resultados en nuestro mundo de física clásica, pero es lo que ocurre en la cuántica todo el tiempo. La física aún no sabe con precisión si en el mundo real eliminamos de nuestra percepción los demás resultados cuánticos o si ambos mundos reaccionan a reglas distintas. Precisamente, en esta ocasión un equipo de investigadores de las universidades de Bonn en Alemania y Hull en el Reino Unido, ha hecho un experimento observando esta rareza conocida como superposición. El grupo usó átomos de cesio y observaron de forma indirecta que uno toma dos trayectorias simultáneamente.

La cuántica nos habla de una perspectiva distinta que no somos capaces de percibir con los sentidos que poseemos. Científicos como Heisenberg y Schrödinger, para nombrar sólo un par, vienen relatando esta interesante y cuántica historia desde hace décadas (creo que con el segundo comenzó el gusto por los gatos para estos experimentos) una historia que Einstein tampoco supo interpretar correctamente ya que es distinto del mundo de la también extraña física 'clásica'.

Por lo tanto en nuestra realidad, la bola de papel que lanzamos a la papelera cae dentro de ella o no, las dos cosas no ocurren al mismo tiempo como en la superposición cuántica. Como lo expuso el doctor Andrea Alberti del Instituto de Física Aplicada en Bonn, existen dos diferentes interpretaciones para este gran tema, o somos distintos de la cuántica o simplemente producimos un mundo macro con las mismas reglas subatómicas.

“La mecánica cuántica permite estados de superposición de objetos grandes y macroscópicos. Pero estos estados son muy frágiles, incluso seguir la pelota con los ojos es suficiente para destruir la superposición y hacer que siga una trayectoria definida”.

Eso es algo realmente extraño, que la simple observación de un proceso lo selle en una trayectoria específica y no en otra; nos hace pensar sobre multiversos y mundos paralelos. No obstante, es una de las claves en los experimentos teóricos de Schrödinger con su gato en una caja, una vez observamos lo que ocurre, sellamos un resultado y erradicamos el otro. Como dijimos anteriormente, no todos piensan igual, algunos aseguran dentro de una teoría macrorrealista, que los elementos en el mundo macro obedecen leyes físicas distintas a las del mundo subatómico.

"El reto era desarrollar un esquema de medición de las posiciones de los átomos que nos permitiera falsificar teorías macrorrealistas", añadió Alberti.

Los resultados del experimento concluyen que durante la superposición, la observación del resultado erradica uno de los caminos, es decir, la observación sella uno de los resultados eliminando el otro. Para elaborar el experimento, los investigadores agarraron un átomo de cesio con una pinzas ópticas y lo arrojaron en dos direcciones distintas y opuestas, tirando del átomo en el proceso. En el mundo macro, el objeto llegaría a sólo una posición final, en el cuántico, sin embargo, los átomos tomaron dos distintas y de forma simultánea. El experimento mostró precisamente eso, el átomo se superpuso en dos lugares al mismo tiempo.

“Lo que hemos hecho es determinar de la forma más sutil posible la posición final del átomo a través de medidas indirectas", explica Carsten Robens, uno de los miembros del equipo.

De hecho, la imagen indica que hasta tales mediciones indirectas pueden modificar significativamente el resultado de los experimentos. Supongamos que tenemos dos contenedores y un gato (otra vez) "está escondido debajo de uno (a) pero no sabemos cuál, ahora bien, si levantamos tímidamente el que está a la derecha (b) y lo encontramos vacío, llegaremos a la conclusión de que el gato está en el otro que no hemos tocado. Ahora bien, si en vez del derecho levantamos el izquierdo, habríamos molestado al gato (c) y tendríamos que desechar la medida. En el mundo macrorrealista, este esquema de medición no tendría influencia alguna sobre el estado del gato, pero en el mundo cuántico hasta una medida negativa que revele la posición del gato, como en (b), ya sería suficiente para destruir la superposición cuántica e influir en el resultado del experimento. Los físicos de Bonn han observado exactamente este efecto", escribieron los investigadores.

“Esta observación excluye o falsifica, como lo expondría Karl Popper, la posibilidad de que los átomos de cesio sigan una teoría macrorrealista. En su lugar, los resultados experimentales se adaptan bien a una interpretación basada en estados de superposición que se destruyen cuando se produce la medición indirecta. Todo lo que podemos hacer es aceptar que el átomo ha tomado diferentes caminos de forma simultánea”.

Los científicos son cautos en hacer afirmaciones hasta elaborar más confirmaciones del evento.

"El siguiente paso es separar las dos posiciones del átomo de cesio varios milímetros. Si nuevamente encontramos la superposición, la teoría macrorrealista sufriría un nuevo revés”, explica Alberti.


Crédito de imagen: Andrea Alberti / www.warrenphotographic.co.uk
Puedes leer el artículo en inglés aquí: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.5.011003

¿Extrañezas en la cuántica? Culpa a los universos paralelos

Por Glenys Álvarez

La imaginación del ser humano es, aparentemente, infinita. Así como los mundos paralelos.

¿Los mundos paralelos?

Nos encantan las historias de universos paralelos y otras dimensiones. La imaginación humana se ha divertido mucho con ellas, no sólo proponiendo sus existencias en ecuaciones matemáticas sino expandiendo el contexto en a veces asombrosas historias de ciencia ficción y fantasía. Ahora, investigadores en las universidades de Griffith y California nos dicen que no sólo existe una cantidad infinita de universos paralelos sino que interactúan entre ellos y que es precisamente esta interacción que hace que todo lo demás no tenga sentido.

Espera un poco... ¿qué es lo que no tiene sentido?

Eso que llaman “lo demás” se refiere a la física cuántica. Pues nada parece carecer del sentido que le damos al mundo macro como el comportamiento de las partículas cuánticas. Algunas parecen estar en dos lugares distintos al mismo tiempo, otras parecen transportarse o comunicarse en la lejanía con un enredo que nadie aún entiende. Y a eso se refieren Michael Hall del Centro de Griffith de Dinámica Cuántica, y Dirk-Andre Deckert de la Universidad de California, quienes indican que la existencia misma de los universos paralelos explica toda esa rareza que nos encontramos en la mecánica cuántica. Los investigadores nos recuerdan la teorías de los “Universos paralelos o Mundos múltiples”, propuesta por Hugh Everett en 1957. Y las cosas se ponen aún más extrañas.

“En la conocida teoría de los Universos paralelos, cada rama del universo se convierte en un montón de nuevos universos cada vez que se hace una medición cuántica”, escribieron en Phys.org.

Preparémonos para más chistes sobre Heisenberg, el gato y el electrón.

Y los científicos nos regalan esos ejemplos que suenan más a ficción que a ciencia; entre ellos, un universo donde Australia es colonizada por Portugal y otro donde el meteorito que acabó con el reino de los dinosaurios falló y no le dio a la Tierra, permitiendo una evolución completamente distinta.

Pero no todos están convencidos, por supuesto. Si estamos hablando de mundos que interactúan entre sí, entonces deberíamos observar comportamientos extraños a nuestro alrededor. Sin embargo, nuestro mundo macro no parece ser afectado por estos otros universos paralelos. ¿Por qué no?

Pues es donde entra la cuántica. Los científicos nos dicen que sólo somos un mundo más entre infinitos otros. Pero que existe una repulsión entre universos, y es esa fuerza que nos aleja de los demás universos la que origina el extraño comportamiento de la cuántica. No sólo eso, los físicos dicen que es posible detectar la existencia de estos otros mundos si se exploran nuevas formas de matemáticas y física.

“La belleza de nuestro enfoque es que si hay un solo mundo nuestra teoría se reduce a la mecánica newtoniana, mientras que si hay un número gigantesco de mundos se origina entonces la mecánica cuántica”, expresó Hall.

¿Sencillo, no? Así que cuando te hablen de extrañezas cuánticas, culpa a los universos paralelos.

Publicado en Physical Review X: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.4.041013

La teoría de cuerdas es la base de la física cuántica

El problema de esta teoría sigue siendo la ausencia de datos experimentales, sin embargo, una nueva propuesta afirma que la Teoría M puede ser la base esencial del universo.

Por Glenys Álvarez

Hay un chiste entre físicos que dice que publicaciones sobre la Teoría de Cuerdas son difundidas a un ritmo mayor que el de la velocidad de la luz. Aseguran, sin embargo, que no existe ningún problema al respecto ya que ninguna está transmitiendo información.

Si te hizo gracia la broma, pues aquí te traemos más noticias “sin información” sobre las cuerdas, esta vez, el análisis se realizó al revés para decirnos que la teoría es la base fundamental de la física cuántica. De acuerdo con dos investigadores de la Universidad de Carolina del Sur, una versión más amplia de la física de cuerdas, la llamada Teoría M, podría ser la base para toda la física.

“Esto resolvería el enigma sobre los orígenes de la mecánica cuántica, es decir, de dónde viene”, dijo Itzhak Bars, autor principal del artículo.

En esta ocasión, en lugar de usar la física cuántica para validar la teoría de cuerdas, lo hicieron al revés, utilizando las cuerdas para intentar validar la física cuántica. Una de las hipótesis en la publicación muestra un conjunto de principios fundamentales de la mecánica cuántica conocido como “reglas de conmutación”, la cual puede derivarse, nos dicen, de la geometría de las cadenas de unión y división de la teoría M.

Sabemos sobre la mecánica cuántica porque es asombrosamente exitosa como modelo del funcionamiento de las cosas en pequeña escala. Sin embargo, existe un gran enigma: las inexplicables reglas de conmutación cuántica que predicen la incertidumbre en la posición y el momento de cada punto en el universo.

Actualmente, no existe un conjunto único de normas para explicar todas las interacciones físicas que ocurren en el universo. Y aunque las propuestas de las cuerdas resuelven puntos esenciales como el problema de la gravedad en el mundo cuántico, no existen evidencias experimentales que puedan avanzar la búsqueda, aunque la teoría sigue llenando huecos.

“Es posible presentar nuestro argumento en una estructura matemática enormemente simplificada”, dijo Bars. “El ingrediente esencial es la suposición de que toda la materia está compuesta de cuerdas y que la única interacción posible es la unión/división, como especifica la versión de la teoría de campos de cuerdas”.

Una de las principales propuestas de la teoría sugiere que la unidad fundamental de la materia es una diminuta cuerda, no un punto, y que las únicas interacciones posibles de la materia son las cadenas que se dividen y se unen. Esto fue propuesto en la década de los setenta del siglo pasado, pero hoy todavía se discuten las reglas, entre ellas las conocidas dimensiones extra que explican algunas características de las subpartículas cuánticas como los quarks y los leptones. No obstante, no nos referimos a las reglas de interacciones físicas que ocurren en el mundo observable que ya han sido definidas por la mecánica clásica newtoniana, sino las que ocurren en un mundo 100 millones de veces más pequeño que un átomo.

“Estamos hablando de descripciones subatómicas, de saber cuáles fuerzas mantienen a los quarks y a los leptones juntos dentro de los protones, neutrones y núcleos de los átomos. La mecánica cuántica es a menudo contradictoria, allí descubrimos que partículas pueden estar en dos lugares al mismo tiempo, sin embargo, es una teoría que ha sido validada en varias ocasiones desde el átomo hasta los quarks y que se ha convertido en un marco preciso y de gran valor para la comprensión de las interacciones de la materia y la energía en distancias pequeñas”, escribieron.

“El desarrollo de la teoría de cuerdas exige coherencia con la mecánica cuántica. En este artículo invertimos el razonamiento y nos encontramos que las reglas de la mecánica cuántica en su estructura surgen de la naturaleza no conmutativa de las cuerdas en sus interacciones básicas de unión/división. Por lo tanto, en lugar de asumir las reglas de conmutación cuántica entre las variables canónicas habituales, las derivamos del proceso físico de las interacciones de cuerdas. Moralmente podríamos aplicar ese argumento a la teoría-M cubriendo así la mecánica cuántica para toda la física. Si las cuerdas o la Teoría M realmente subyacen toda la física, parece que la puerta se ha abierto a una explicación de los orígenes de la mecánica cuántica desde el punto de vista de los procesos físicos”, escribieron los autores.

La dificultad aún radica en el hecho de que no hay datos experimentales sobre el tema, por eso el chiste nos dice que no hay “información” en las publicaciones. Continuaremos esperando entonces que la capacidad tecnológica aumente, mientras tanto, las cuerdas y M siguen robusteciéndose con fórmulas matemáticas.

– Si desean leer la publicación completa (en inglés), pueden buscar el documento de Bars en colaboración con Dmitry Rychkov, que fue publicado en línea el 27 de octubre por la revista Physics Letters: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269314007862  

La paradoja del abuelo en el mundo cuántico

Un equipo de investigadores desarrolló simulaciones cuánticas del modelo de la curva cerrada tipo tiempo, asegurando que la cuántica permite el viaje en el tiempo

Por Glenys Álvarez

Los viajes en el tiempo son posibles. Es lo que asegura la mayoría de las principales teorías físicas, las que no ponen ninguna prohibición al respecto; la Teoría de la Relatividad, por ejemplo, describe la gravedad como la curvatura del espaciotiempo realizada por la energía y la materia. Un campo gravitatorio extremadamente poderoso, como el que produce un agujero negro, podría, en principio, deformar profundamente el tejido mismo del Cosmos, tanto así que el espaciotiempo se curvaría sobre sí mismo. El resultado de este fenómeno crearía una “curva cerrada de tipo tiempo”, o CTC, un bucle que podría ser atravesado para viajar al pasado y ¿matar a tu abuelo?

La revista Scientific American escribe sobre la fiesta que el físico Stephen Hawking organizó en 1992. El científico decoró el lugar con globos, había champaña helada y exquisitos bocadillos. Sin embargo, nadie fue a la fiesta ya que Hawking, envió las invitaciones luego de que había terminado. Precisamente, su fiesta era una “recepción de bienvenida a los futuros viajeros en el tiempo”, y para él, los resultados confirmaban lo que había ya teorizado: es imposible viajar en el tiempo.

Por supuesto, los que no somos muy allegados a las matemáticas, física y otras ciencias duras, tendemos a pensar en ciencia ficción cuando pensamos en viajes en el tiempo o nos metemos en discusiones sobre las probabilidades que resultarían si fuera posible. Sin embargo, el viaje en el tiempo tiene repercusiones importantes en ramas científicas como la criptografía cuántica y la computación; también, por supuesto, nos puede decir mucho más sobre la naturaleza del universo. De hecho, algunos piensan que podría cambiar completamente su actual paradigma.

Retornemos a la Tierra un momento, porque la información que tenemos está basada completamente en las matemáticas.

Regresemos al bucle cósmico que nos trasladaría por el tiempo. Para Hawking y muchos otros físicos, estas cosas son absurdas, de hecho, las han llamado “aborrecibles”, ya que afirman que cualquier objeto macroscópico viajando a través de uno de esos bucles, crearía unas paradojas inevitables que descompondrían la causa y el efecto. En un modelo propuesto por el teórico David Deutsch en 1991, sin embargo, las paradojas creadas por estos bucles podrían ser evitadas. ¿Cómo? Pues a través del uso de la escala cuántica ya que las partículas en este ultradiminuto mundo tienen reglas bien distintas donde la causa y el efecto no llevan el orden que le conocemos en nuestro mundo macro: siguen reglas difusas de probabilidad más que un estricto determinismo.

“Es intrigante como tenemos a la relatividad general prediciendo estas paradojas pero luego que las consideramos en términos de la mecánica cuántica desaparecen", dijo para Scientific American el físico de la Universidad de Queensland, Tim Ralph. “Hace que te preguntes si esto es importante en términos de la formulación de una teoría que unifique la relatividad general con la mecánica cuántica”.

Pues bien, un equipo de científicos liderado por Ralph y Martin Ringbauer, experimentó, por primera vez, con el modelo CTC de David Deutsch creado en 1991. Se centraron en un problema en particular: analizar cómo este modelo resuelve la paradoja del abuelo. Es decir, viajas en el tiempo y matas a tu abuelo, impidiendo así tu propio nacimiento.

Para explicarlo, los investigadores dicen que en vez de imaginar a un ser humano atravesando uno de estos bucles para viajar al pasado y matar al abuelo, imagina mejor que una partícula fundamental regresa al pasado para activar un interruptor en la máquina de generación de partículas que la creó. Si la partícula activa el interruptor, la máquina la envía de nuevo al bucle; si el interruptor no se activa, la máquina no emite nada. Deutsch postulaba que cualquier partícula que entrara por un extremo del CTC debía salir por el otro extremo con idénticas propiedades. En otras palabras, si la partícula fuera una persona, nacería con una mitad de probabilidades de matar a su abuelo, lo que le da al abuelo la mitad de probabilidades de escapar de esta muerte, lo cual es lo suficientemente bueno, en términos probabilísticos, para cerrar el lazo causal y escapar de la paradoja.

Por extraño que pueda ser, nos dicen, esta solución está en consonancia con las leyes conocidas en la mecánica cuántica.

Publicado en Nature Communications

http://www.nature.com/ncomms/index.html