Las partículas cuánticas vuelven a derribar el «mundo feliz» de Einstein

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Un nuevo estudio confirma que los neutrinos sufren efectos cuánticos a grandes distancias – Christine Daniloff/MIT

Aunque la historia situaría a Albert Einstein como el padre de la mecánica cuántica, la física que explica el comportamiento de lo más pequeño, en realidad él mismo se resistía a aceptarla y al final acabó convirtiéndose en uno de sus más firmes críticos. No se le puede culpar. Cuando cualquiera se acerca al mundo cuántico, se encuentra con una realidad difuminada, habitada por extrañas partículas que pueden estar en varios sitios a la vez o en varios estados al mismo tiempo. Además, el estado de estas partículas solo se define cuando alguien se decide a mirarlas. ¡Es de locos!

En este sentido, cuentan que una vez Einstein le preguntó a Niels Böhr: «¿De verdad crees que la Luna no está ahí cuando dejas de mirarla?». La experiencia cotidiana y la de Einstein dicen que las cosas están ahí aunque nadie las mire, y que de alguna forma están definidas de modo objetivo: la Luna es la Luna haya o no hombres para mirarla.

Pero la mecánica cuántica viene a decir que eso no pasa con las partículas. Durante decenas de años se ha concluido, al menos hasta que una nueva teoría lo contradiga, que en el mundo de los electrones o los fotones las propiedades no están definidas. Se dice que están superpuestas, lo que significa que ocurren al mismo tiempo y que es el observador es quien las define (la Luna está ahí y no está hasta que alguien la mira). Lo interesante es que este desafío a la realidad cotidiana se ha observado cada vez que los físicos se han atrevido a estudiar de cerca a la materia.

Un estudio que se publicará este mes en «Physical Review Letters» por parte de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) se ha sumado a todas las investigaciones que desafían al sentido común y que se adentran en el mundo cuántico. Ha confirmado de nuevo que los extraños fenómenos cuánticos ocurren en unas partículas llamadas neutrinos y, por primera vez, ha concluido que este efecto ocurre incluso a distancias gigantescas de cientos de kilómetros. De hecho, este trabajo ha batido un récord, y se puede decir que ha logrado comprobar que la mecánica cuántica ocurre a la mayor distancia hasta el momento.

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Detector MINOS, usado en los experimentos y localizado en Minnesota- US Gov

«Durante alrededor de 100 años, los físicos han usado la mecánica cuántica para darle sentido a la materia. Esta mecánica cuántica parece aplicarse sin problemas a objetos a escalas muy pequeñas (por ejemplo, los átomos son típicamente de uno a diez nanómetros de tamaño), y sabemos que esas ecuaciones de mecánica cuántica pueden explicar el comportamieto de los átomos», ha explicado a ABC David Kaiser, el primer autor del estudio. «Pero en nuestro último trabajo, hemos descubierto que debemos seguir usando la mecánica cuántica incluso cuando analizamos el comportamiento de objetosa distancias enormes, dentro de la escala humana… ¡Hasta llegar a los 735 kilómetros!».

En opinión de Germán Sierra, profesor de investigación en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, «la importancia de este estudio nace de haber logrado validar la mecánica cuántica a una distancia de 700 kilómetros». (Sierra es autor de la paradoja de los dos gatos vivos y muertos al mismo tiempo).

Los límites de la realidad

Por muy extraña que parezca, la mecánica cuántica parece ser la única «receta» que funciona para hablar de la parte íntima de la materia. Ahora solo falta averiguar hasta dónde o cuándo: «Entender dónde o cúando los efectos cuánticos dejan de ser relevantes es un gran misterio», ha reconocido el propio Kaiser. Para resolverlo, los investigadores trabajan con los efectos cuánticos cada vez a mayores distancias o implicando a números de átomos o moléculas cada vez mayores.

«La mecánica cuántica choca contra el sentido común. Y, como no nos habituamos a ello, siempre buscamos nuevas situaciones para buscar los límites», ha dicho Sierra.

Neutrinos a casi la velocidad de la luz

Por este motivo, los investigadores del MIT se centraron en investigar los neutrinos. Son unas partículas parecidas a los electrones pero sin carga eléctrica, y tienen la capacidad de atravesar la materia sin interaccionar con ella. Por ejemplo, aunque cada segundo atraviesan nuestro cuerpo cientos de millones de neutrinos, nunca se ha observado ningún efecto.

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Interior del detector de neutrinos MiniBooNE- Fred Ullrich

Los neutrinos son inocuos, pero también son interesantes. Por ejemplo, dos investigadores recibieron en 2015 el premio Nobel por descubrir que los neutrinos oscilan entre varios estados o sabores y que viajan por el Universo a casi la velocidad de la luz.

Sabiendo esto, se podría pensar que los neutrinos no tienen un comportamiento cuántico y que se comportan de acuerdo a los principios de la realidad clásica que podemos ver con nuestros propios ojos. Esto significaría que podrían cambiar su sabor, pero que tendrían uno cada vez y no varios al mismo tiempo. Pero el equipo de David Kaiser, del MIT, ha descubierto que no es así. Los estados de los neutrinos están superpuestos (varios ocurren al mismo tiempo) y además entrelazados (a grandes distancias es imposible distinguirlos).

«Solemos pensar que la mecánica cuántica actúa a pequeñas escalas», ha dicho Kaiser en un comunicado del MIT. «Pero resulta que no podemos escapar de la mecáncia cuántica, ni siquiera cuando describimos procesos que ocurren a grandes distancias. No podemos detener nuestra descripción cuántica incluso cuando las cosas dejan un estado y entran en otro, viajando durante cientos de kilómetros. Creo que es asombroso».

El espacio no es lo que era

Y aún resulta más asombroso si se piensa en las implicaciones de este tipo de investigaciones: «Se trata de ver de nuevo la diferencia entre mundo cuántico y mundo clásico (el cotidiano e intuitivo en el que las propiedades están definidas)», ha explicado Germán Sierra. ¿Dónde están los límites entre uno y otro? ¿Por qué a cientos de kilómetros las partículas están unidas?

Para encontrar esta diferencia entre cuántico y clásico, se ha recurrido a una corriente de experimentos que comenzó en los años setenta, y cuya base es verificar que ciertas relaciones matemáticas del «mundo real» se cumplen en el mundo cuántico. Cuando esto no ocurre, la conclusión es que el sistema observado es cuántico. «Es como una industria. Siempre hay alguien que propone una nueva explicación compatible con un mundo realista (y no cuántico). Entonces, se verifica experimentalmente y se acaba descartando», ha explicado Germán Sierra.

En esta ocasión, este lento y constante avance de la ciencia se ha conseguido a través de un experimento realizado en el MINOS (Inyector Principal de Investigación de Oscilación de Neutrinos) del Fermilab (Chicago). En esta investigación, se produjeron neutrinos en Chicago y se «dispararon» hacia un detector de Minnesota, situado a una distancia de 735 kilómetros.

A través de los cálculos matemáticos, y después de descartar que los resultados no hubieran sido producidos por errores (con una probabilidad de equivocarse de uno entre cien mil millones), el equipo de Kaiser concluyó que las oscilaciones de los sabores de los neutrinos son más compatibles con la idea de que sigan un comportamiento cuántico. La implicación directa es que todo apunta a que los neutrinos no tienen ninguna identidad concreta en todo ese viaje que hacen entre los dos detectores.

Según ha dicho el investigador André de Gouvêa en una opinón recogida por el MIT, el hecho de que los neutrinos vayan tan rápido e interaccionen tan poco con la materia puede facilitar que los «efectos relativistas sean enormes, y conspiren para hacer que grandes distancias parezcan pequeñas». «El resultado final (…) es que la mecánica cuántica parece ser la descripción correcta del mundo en todas las distancias», ha añadido.

¿Por qué lo grande no es cuántico?

Pero entonces, ¿por qué la Luna o los objetos cotidianos no están en dos sitios al mismo tiempo? Tal como explica Sierra, la explicación está en la coherencia: «Los objetos macroscópicos sufren muchas interacciones con su entorno y de forma continua. No se puede observar sus propiedades de forma aislada, y se dice que pierden la coherencia. Es entonces cuando se considera que puede aplicarse la física del mundo clásico».

Pero de nuevo en el reino de lo pequeño, resulta que las partículas sí son coherentes, entre sí. Se comportan del mismo modo a la vez, incluso a grandes distancias, sufren fenómenos de superposición y entrelazamiento. Al final, no se pueden separar en dos partes, son como una especie de continuo.

El problema sigue ahí delante. Mientras que el mundo cotidiano parece ser objetivo y tener unas propiedades determinadas con independencia del observador, el mundo cuántico parece tener unas reglas totalmente contrarias. O quizás no tener reglas. El problema es unir ambos mundos, o sea, unir la relatividad general y la mecánica cuántica. Lo pequeño y lo grande. Mientras que el espacio-tiempo se entiende con la física clásica, aún no se sabe explicar con la mecánica cuántica. Dicen que podría ser granuloso, que en realidad podría no existir y emerger de las partículas. Los físicos teóricos siguen devanándose los sesos y forzando los límites de la realidad.

«Aún está abierta la pregunta de cuánta materia es necesaria o qué distancias hay que aplicar para que la descripción clásica de la realidad sea aceptable. ¿Qué hace falta para que uno pueda usar las teorías más intuitivas y familiares de Newton?», se ha preguntado Kaiser.

«El propio Einstein confiaba en que los físicos encontrarían alguna teoría de la matería que no incluyera todas estas extrañas e increíbles propiedades. Esperaba que en esa teoría las partículas tuvieran valores definidos para sus propiedades, con independencia de que alguien las midiera o no. Pero hasta ahora, cada uno de los experimentos que se han hecho ha sido consistente con la teoría cuántica y ha hecho que sea muy, pero que muy difícil reconciliar sus resultados con las intuiciones de Einstein», ha concluido Kaiser. ¿Qué opinaría de todo esto el genio alemán?

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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