¿Los efectos cuánticos están restringidos a una escala? » Cienciahoy

Si bien son ciertamente más evidentes a escala microscópica, los efectos cuánticos no se limitan a ella.

Siempre me he preguntado si la creencia de la Reina Blanca en “seis cosas imposibles antes del desayuno” era una sutil referencia a la rareza de la física cuántica. Después de todo, el reino cuántico no solo está lleno de rarezas de Alicia en el país de las maravillas; requiere que uno navegue a través de una bruma de probabilidad e indeterminación y diverge marcadamente de la visión de sentido común de la realidad que pertenece al mundo macroscópico.

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Explorar el reino cuántico es como ser conducido al país de las maravillas de Alicia, donde el sentido común se desafía regularmente. (Crédito de la foto: Pushkin/Shutterstock)

Una disyunción sorprendente entre los reinos clásico y cuántico es que el reino cuántico no permite su observación directa, sino que solo puede explorarse mediante el empleo de instrumentos. Mientras que los bits más pequeños (entidades microscópicas) que componen los objetos familiares (entidades macroscópicas) no se ajustan a las reglas clásicas y exhiben un comportamiento que solo puede ser descrito por la teoría cuántica, los objetos familiares se comportan de forma clásica y no aparecen como una superposición de estados, sino como con valores y propiedades definitivas.

Como la descripción que uno hace de la realidad se basa en las propias experiencias, no sorprende que nuestras realidades cuántica y clásica parezcan irreconciliables.

Uno encuentra que el comportamiento de un sistema físico, al alcanzar un cierto tamaño, comienza a apartarse de las predicciones de la teoría cuántica, y cuanto más grande se vuelve el sistema, más se adhiere su comportamiento a la física clásica, en lugar de a la física cuántica.

Dado que las propiedades cuánticas adquieren importancia a nivel microscópico, uno puede inferir erróneamente en este punto que la física cuántica opera solo en las escalas atómica y subatómica, pero esto no es así. Existen varios ejemplos de comportamiento cuántico macroscópico. La superconductividad, la superfluidez y la condensación de BE son algunos de los fenómenos cuánticos que ocurren a escala macroscópica.

La razón por la que uno no observa efectos cuánticos como la superposición en la vida diaria no es porque la teoría cuántica falla para los objetos por encima de cierto tamaño, sino porque la decoherencia se produce por el acoplamiento inevitable con el entorno. Cuando un sistema experimenta decoherencia, todos los aspectos cuánticos se pierden a medida que se desvanece la naturaleza ondulatoria.

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El problema de la medida

Con el supuesto epistemológico de que las propiedades de cualquier objeto se pueden medir con precisión, la física clásica ofrece una realidad no perturbada por el proceso de medición, en la que se puede obtener información sin que el proceso de adquisición de este conocimiento afecte la información de ninguna manera. La información obtenida es por tanto independiente del proceso de medición y del conocedor. Esto significa que el mundo conocible está restringido a lo físico.

De acuerdo con la física cuántica, sin embargo, cualquier intento (por parte del mundo exterior) que busque medir o adquirir conocimiento de las superposiciones cuánticas, ya sea a través de la interacción con el entorno o incluso con un solo fotón, desentraña los estados de superposición en un solo estado clásico con definición definitiva. valores. Además, también destruye la capacidad de los estados individuales para interferir entre sí.

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El juego de copa y pelota (Crédito de la foto: Maksim Mazur/Shutterstock)

Tome el juego de copa y pelota, para empezar. Esta versión inmensamente popular del juego de manos implica una pelota o un objeto pequeño oculto debajo de una de las tres copas invertidas. Se produce un barajado rápido que hace que el espectador pierda la noción de la posición de la pelota.

Uno cree con absoluta convicción que cualquiera que sea la copa debajo de la cual se encuentra la pelota, es la copa debajo de la cual había estado todo el tiempo. En el ámbito cuántico, sin embargo, esto plantea un enigma. Cuando consideramos la pelota como una entidad cuántica, descrita por una función de onda, surgen numerosas preguntas.

¿Estuvo la pelota realmente debajo de esa copa todo el tiempo? ¿No fue el acto de mirar lo que hizo que la pelota apareciera donde se observaba que estaba?

Por lo tanto, la medición es responsable de que una entidad se convierta en un objeto con resultados definidos, en lugar de definir su existencia como un borrón de posibilidades. La cuestión de si una entidad muestra un comportamiento de onda o de partícula depende de la medición que se realice sobre ella. Una medición (en física) implica cualquier interacción del sistema cuántico con el entorno y no requiere que un observador realice una observación, lo que conduciría al colapso de la función de onda.

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Las entidades cuánticas se comportan como una onda o una partícula según las circunstancias y el efecto que se observe. (Crédito de la foto: Pixabay)

¿Por qué no observamos el comportamiento de las ondas de los objetos grandes?

Los objetos macroscópicos no se pueden describir mediante funciones de onda coherentes porque es una tarea difícil aislar de manera informativa los objetos macroscópicos del entorno. Entonces, para las experiencias cotidianas, uno no puede observar los objetos macroscópicos como una superposición de estados, por lo que su comportamiento se reduce al de las partículas.

Si uno pudiera aislar un objeto macroscópico de manera informativa, ¿actuaría como lo hace un objeto cuántico? La ecuación de De Broglie, que se extiende a objetos de todos los tamaños, emplea el uso de la desastrosamente pequeña constante de Planck; dividido por una gran masa, la longitud de onda asociada con los objetos macroscópicos es tan minúscula que los efectos de interferencia son insignificantes. Entonces, no, los objetos macroscópicos como un gato o un humano pueden actuar de la forma en que lo hace un objeto cuántico.

Coherencia

Los efectos cuánticos, como la interferencia, se pueden atribuir al comportamiento ondulatorio de la materia. Para que los efectos cuánticos sean visibles, las funciones de onda de los bits más pequeños de los objetos macroscópicos deben alinearse con precisión entre sí, o de lo contrario, el comportamiento de onda se promedia (dejando solo el comportamiento clásico).

Aquí hay una analogía simple: un equipo de nadadores sincronizados no salpicará agua al azar como un grupo de niños jugando en una piscina mientras están actuando. Los nadadores pueden organizar su acto de manera que todas las pequeñas olas creadas a partir de sus movimientos se muestren como una gran ola de agua.

Tal sistema se considera coherente, en el que la ola en la piscina es evidente. Por el contrario, las olas creadas por el chapoteo al azar del agua de los niños sumarán aproximadamente cero. Tal sistema se considera no coherente.

La alineación de las naturalezas de onda de los fragmentos de materia constituyentes conduce a una función de onda coherente general para el objeto. Cuanto más coherente es un objeto, más pronunciado es su comportamiento ondulatorio.

El mundo clásico es básicamente el mundo tal como lo veía la física antes del advenimiento de la mecánica cuántica, en el que un sistema físico es una colección de objetos con propiedades definidas e inequívocamente atribuibles. En el reino cuántico, sin embargo, tales propiedades no tienen valores definidos y la mayoría de las veces están involucradas en interacciones con el medio ambiente.

Mientras no se realice una medición en el sistema, los diferentes valores que una propiedad puede tener coexisten. Se podría decir que el comportamiento del sistema es el resultado combinado de muchos sistemas diferentes que interfieren entre sí.

Sin embargo, queda una coherencia que debe mantenerse en términos de cómo estas propiedades se asocian entre sí. La coherencia no implica que un sistema carezca de estructura; significa que el sistema es más libre en términos de cómo puede evolucionar en el tiempo.

Enredos y superposiciones

La recuperación de superposiciones se vuelve aún más difícil para los objetos macroscópicos, que interactúan masivamente con su entorno, ya que los efectos cuánticos son frágiles y se interrumpen o eliminan fácilmente por las interacciones con el entorno.

Esto sucede a través de un proceso conocido como entrelazamiento, que obliga al sistema cuántico (de partículas) y al entorno a ser inseparables. Las partes que interactúan se enredan en un estado combinado de tal manera que el estado cuántico de cualquier entidad individual no puede describirse independientemente del estado de las otras entidades con las que interactúa. Por lo tanto, la superposición de la partícula original se propaga al medio ambiente.

Cuando muchas partículas interactúan (es decir, en objetos grandes), esta mezcla tiende a ocurrir casi instantáneamente. A medida que la superposición se extiende al entorno, la función de onda de la partícula inicial se mezcla con las de las partículas circundantes y se pierde la relación de fase que debe conservarse.

Ilustración del experimento mental de Erwin Schroedinger (o Schroedinger), en el que el gato está vivo y muerto debido a las interpretaciones de la mecánica cuántica y el estado conocido como superposición cuántica.

De acuerdo con la teoría cuántica, las partículas pueden existir en un estado de superposición hasta que se realice una medición en el sistema. (Crédito de la foto: local_doctor/Shutterstock)

La razón por la cual el principio de incertidumbre es significativo solo para entidades cuánticas individuales o pequeñas colecciones de entidades cuánticas es que cuando se trata de un sistema hecho de un número astronómico de entidades cuánticas, la incertidumbre de los elementos constituyentes puede promediarse, de modo que el sistema como un todo no parece ser muy cuántico en su mecánica.

No se puede decir que el comportamiento de x entidades cuánticas sea igual al comportamiento de una entidad por x. Para una sola partícula, la incertidumbre cobra gran importancia; sin embargo, dado que la teoría cuántica es inherentemente estadística, para una colección estadísticamente significativa de partículas, la incertidumbre se vuelve irrelevante y el sistema sigue las ecuaciones diseñadas por la mecánica cuántica con una previsibilidad razonable.

¿Un límite fundamental para las transiciones cuántico-clásicas?

Si existe o no un límite estricto para la transición entre lo cuántico y lo clásico sigue siendo una pregunta tentadora; sin embargo, si tal límite existe, aún no se ha descubierto.

En 1999, un equipo de la Universidad de Viena investigó qué tan grande podía llegar a ser un objeto mientras conservaba su naturaleza ondulatoria mediante la realización de un experimento de doble rendija utilizando moléculas de fullereno (C60). Encontraron un patrón de interferencia claro, que sugiere que la superposición ocurre incluso en moléculas tan grandes como C60 (0,7 nanómetros de ancho). Además, también observaron que el patrón de interferencia desaparecía gradualmente a medida que se liberaba un gas de fondo en la cámara. Como se predijo, la colisión de las moléculas del gas con el fullereno ahuyentó la naturaleza ondulatoria.

Otro equipo en 2011 informó que la coherencia podría establecerse en moléculas orgánicas basadas en carbono que constan de alrededor de 430 átomos cada una, que miden hasta 6 nanómetros de ancho; en 2019, el experimento de interferencia se realizó aumentando la masa de las partículas de interferencia hasta 2000 átomos. En 2020, se estudiaron los patrones de interferencia de una molécula biológica, conocida como gramicidina A1.

El entrelazamiento cuántico ahora se ha observado a escala macroscópica. Los físicos construyeron un par de tambores de aluminio del tamaño de glóbulos rojos y utilizaron la frecuencia de microondas para hacer que los tambores vibren en sincronía. Los dos tambores compartían un estado entrelazado, es decir, al vibrar, las amplitudes de los tambores estaban correlacionadas. Un experimento reciente puede haber entrelazado un organismo vivo, el Tardigrade notablemente robusto, con dos qubits superconductores.

Roger Penrose sugirió que la gravedad podría desempeñar un papel en el colapso de la función de onda (que describe un sistema como una superposición de múltiples valores de posición, impulso, etc.). Según la propuesta de Penrose, mientras que los electrones pueden permanecer en superposición durante años, la gravedad establece un límite para las partículas masivas, lo que implica que cualquier cosa a escala macroscópica colapsa de inmediato. Por lo tanto, para sistemas por encima de cierta masa, el comportamiento cuántico se desvanece.

La teoría de Ghirardi-Rimini-Weber, (teoría del colapso objetivo, 1986), propone que la función de onda de una partícula colapsa por sí misma, aleatoria y espontáneamente. Para una sola partícula, tal colapso sería raro, pero para sistemas macroscópicos como el gato de Schrödinger, que contiene billones de partículas entrelazadas (que interactúan), este proceso se intensifica; las superposiciones se desvanecen rápidamente cuando el colapso de una desencadena el colapso del resto.

La física cuántica afecta a todo. Si bien las leyes de la física cuántica de ninguna manera limitan la “cuanticidad” a las partículas microscópicas, para los objetos que son mucho más grandes, los efectos cuánticos son tan pequeños que no se pueden observar en la práctica. Aun así, ¡el comportamiento cuántico a escala macroscópica existe y ha sido observado!