Gato de Schrödinger, clásico ejemplo de superposición de estados. Imagen: Chubas. Deviantart.
Las partículas subatómicas tienen una propiedad aparentemente mágica: pueden estar en dos sitios a la vez, gracias a su doble naturaleza de onda-partícula, fenómeno conocido como superposición cuántica. ¿Por qué nosotros no?
La respuesta más simple es que los objetos de mayor tamaño que el átomo no están sujetos a las mismas leyes que imperan en la mecánica cuántica, y que rigen a las partículas subatómicas.
Pero la frontera entre los mundos regidos por la física clásica y la física de partículas sigue siendo un misterio para los científicos.
Una de las ideas existentes es que todo comienza como un sistema cuántico, existiendo en un estado de superposición cuántico y, después, al interactuar con un medio, se colapsa para concretarse en un estado clásico, siguiendo un proceso conocido como decoherencia cuántica (concreción de un estado determinado).
La decoherencia cuántica es por tanto un fenómeno físico susceptible de explicar la transición entre las leyes físicas cuánticas y las leyes físicas clásicas tal como las conocemos en el mundo cotidiano o macroscópico. Esta teoría fue formulada en 1970 por el físico alemán Dieter Zeh, quien en 2002 concedió una entrevista a Tendencias21 explicando que los así llamados modelos de decoherencia permiten explicar la ausencia de superposiciones en los estados macroscópicos de la materia, sin necesidad de una intervención determinante del observador.
Ondas y decoherencia cuántica
Según publica la revista NewScientist, un equipo de científicos franceses propone ahora otra respuesta para esta incógnita, que ya habían esbozado el año pasado en un interesante artículo.
Brahim Lamine de la Universidad Pierre et Marie Curie de París, y sus colaboradores afirman que las llamadas ondas gravitacionales serían las responsables de la existencia de los objetos en un único estado, es decir, del paso del estado cuántico (superposición de diversos estados) a uno solo.
Se sabe que estas ondas, aunque nunca han sido detectadas directamente, son oscilaciones del espacio-tiempo generadas por eventos astrofísicos violentos, como el Big Bang o las colisiones de agujeros negros.
Como consecuencia de dichos eventos, se producen en dicho espacio-tiempo unas ondas de amplitudes muy bajas que provocarían, según los investigadores, que la ambigüedad de estados típica de la física subatómica se colapse, dando lugar a un único estado.
Cálculos explicativos
Lamine y sus colaboradores calcularon cómo estas fluctuaciones del espacio-tiempo podrían contribuir a la decoherencia cuántica. Así, descubrieron que para sistemas de mucha masa, como la Luna, la decoherencia provocada por las ondas gravitacionales haría que cualquier superposición cuántica se disipara inmediatamente.
En cambio, sobre los objetos sin masa o prácticamente sin masa (como las partículas subatómicas), la ondas gravitacionales tendrían un efecto insignificante, explican los científicos.
Ahora, faltaría lo más difícil: comprobar los resultados de los cálculos. Para saber si las ondas gravitacionales realmente son la causa de la decoherencia cuántica de los objetos macroscópicos, los científicos proponen usar un interferómetro de ondas de materia, que permitiría hacer pasar las moléculas de ésta a través de múltiples rejillas.
Dado que las moléculas tienen una naturaleza similar a las ondas, se difractarían en dicho paso, y las ondas de difracción producidas interactuarían entre sí produciendo un patrón de interferencias.
La decoherencia cuántica destruiría ese patrón, así que en principio este sistema podría funcionar como test sobre si el efecto de decoherencia de las fluctuaciones del espacio-tiempo encaja con las predicciones.
Pruebas imposibles
El trabajo de Lamine y sus colaboradores fue presentado el mes pasado en el encuentro Gravitation and Fundamental Physics in Space, celebrado en los Alpes Franceses.
A pesar de que su propuesta resulta de enorme interés, parece que de momento es imposible en la práctica, con los interferómetros actuales.
En experimentos pioneros realizados por Anton Zeilinger, Markus Arndt y colaboradores, en la Universidad de Viena, se consiguió generar interferencias con haces de fulerenos o buckyesferas de carbono 60, pero incluso con moléculas de este tamaño el efecto de las ondas gravitaciones resultó demasiado pequeño como para ser observado.
Según Lamine, el efecto sería mensurable sólo con sistemas grandes de alta energía. Haces supersónicos de alrededor de 3.000 átomos de carbono podrían servir para hacer la prueba, si se les hace interferir sobre un área de alrededor de un metro cuadrado. Pero, de momento, estas medidas sobrepasan el alcance de cualquier tecnología disponible.
Algunas teorías especulativas predicen, sin embargo, que la decoherencia cuántica podría ocurrir a escalas de energía menores a las predichas por Lamine. Si esto es así, se podría realizar el experimento.
También buscando la materia oscura
La existencia de ondas gravitacionales fue predicha en la teoría de la gravitación de Einstein, a principios de siglo XX, pero su detección resulta problemática porque dichas ondas dejan trazas muy débiles al pasar por la Tierra.
Los dispositivos creados hasta ahora para detectarlas han sido, por tanto, altamente sensibles, y es ahí precisamente donde radica su problema: su sensibilidad reacciona ante cualquier otro tipo de vibración, aunque no sea de ondas gravitacionales, lo que confunde los resultados.
Tal y como explicamos en un artículo anterior, la observación y la medición directa de las ondas gravitacionales resulta, a pesar de todas estas dificultades, uno de los desafíos más importantes de la física actual.
Con estas mediciones se podría no sólo comprobar que la teoría de Lamine y sus colaboradores es cierta, sino también desvelar los secretos de una fracción del universo hasta ahora inobservada, pero que constituye el 96% del cosmos: la materia oscura.
La respuesta más simple es que los objetos de mayor tamaño que el átomo no están sujetos a las mismas leyes que imperan en la mecánica cuántica, y que rigen a las partículas subatómicas.
Pero la frontera entre los mundos regidos por la física clásica y la física de partículas sigue siendo un misterio para los científicos.
Una de las ideas existentes es que todo comienza como un sistema cuántico, existiendo en un estado de superposición cuántico y, después, al interactuar con un medio, se colapsa para concretarse en un estado clásico, siguiendo un proceso conocido como decoherencia cuántica (concreción de un estado determinado).
La decoherencia cuántica es por tanto un fenómeno físico susceptible de explicar la transición entre las leyes físicas cuánticas y las leyes físicas clásicas tal como las conocemos en el mundo cotidiano o macroscópico. Esta teoría fue formulada en 1970 por el físico alemán Dieter Zeh, quien en 2002 concedió una entrevista a Tendencias21 explicando que los así llamados modelos de decoherencia permiten explicar la ausencia de superposiciones en los estados macroscópicos de la materia, sin necesidad de una intervención determinante del observador.
Ondas y decoherencia cuántica
Según publica la revista NewScientist, un equipo de científicos franceses propone ahora otra respuesta para esta incógnita, que ya habían esbozado el año pasado en un interesante artículo.
Brahim Lamine de la Universidad Pierre et Marie Curie de París, y sus colaboradores afirman que las llamadas ondas gravitacionales serían las responsables de la existencia de los objetos en un único estado, es decir, del paso del estado cuántico (superposición de diversos estados) a uno solo.
Se sabe que estas ondas, aunque nunca han sido detectadas directamente, son oscilaciones del espacio-tiempo generadas por eventos astrofísicos violentos, como el Big Bang o las colisiones de agujeros negros.
Como consecuencia de dichos eventos, se producen en dicho espacio-tiempo unas ondas de amplitudes muy bajas que provocarían, según los investigadores, que la ambigüedad de estados típica de la física subatómica se colapse, dando lugar a un único estado.
Cálculos explicativos
Lamine y sus colaboradores calcularon cómo estas fluctuaciones del espacio-tiempo podrían contribuir a la decoherencia cuántica. Así, descubrieron que para sistemas de mucha masa, como la Luna, la decoherencia provocada por las ondas gravitacionales haría que cualquier superposición cuántica se disipara inmediatamente.
En cambio, sobre los objetos sin masa o prácticamente sin masa (como las partículas subatómicas), la ondas gravitacionales tendrían un efecto insignificante, explican los científicos.
Ahora, faltaría lo más difícil: comprobar los resultados de los cálculos. Para saber si las ondas gravitacionales realmente son la causa de la decoherencia cuántica de los objetos macroscópicos, los científicos proponen usar un interferómetro de ondas de materia, que permitiría hacer pasar las moléculas de ésta a través de múltiples rejillas.
Dado que las moléculas tienen una naturaleza similar a las ondas, se difractarían en dicho paso, y las ondas de difracción producidas interactuarían entre sí produciendo un patrón de interferencias.
La decoherencia cuántica destruiría ese patrón, así que en principio este sistema podría funcionar como test sobre si el efecto de decoherencia de las fluctuaciones del espacio-tiempo encaja con las predicciones.
Pruebas imposibles
El trabajo de Lamine y sus colaboradores fue presentado el mes pasado en el encuentro Gravitation and Fundamental Physics in Space, celebrado en los Alpes Franceses.
A pesar de que su propuesta resulta de enorme interés, parece que de momento es imposible en la práctica, con los interferómetros actuales.
En experimentos pioneros realizados por Anton Zeilinger, Markus Arndt y colaboradores, en la Universidad de Viena, se consiguió generar interferencias con haces de fulerenos o buckyesferas de carbono 60, pero incluso con moléculas de este tamaño el efecto de las ondas gravitaciones resultó demasiado pequeño como para ser observado.
Según Lamine, el efecto sería mensurable sólo con sistemas grandes de alta energía. Haces supersónicos de alrededor de 3.000 átomos de carbono podrían servir para hacer la prueba, si se les hace interferir sobre un área de alrededor de un metro cuadrado. Pero, de momento, estas medidas sobrepasan el alcance de cualquier tecnología disponible.
Algunas teorías especulativas predicen, sin embargo, que la decoherencia cuántica podría ocurrir a escalas de energía menores a las predichas por Lamine. Si esto es así, se podría realizar el experimento.
También buscando la materia oscura
La existencia de ondas gravitacionales fue predicha en la teoría de la gravitación de Einstein, a principios de siglo XX, pero su detección resulta problemática porque dichas ondas dejan trazas muy débiles al pasar por la Tierra.
Los dispositivos creados hasta ahora para detectarlas han sido, por tanto, altamente sensibles, y es ahí precisamente donde radica su problema: su sensibilidad reacciona ante cualquier otro tipo de vibración, aunque no sea de ondas gravitacionales, lo que confunde los resultados.
Tal y como explicamos en un artículo anterior, la observación y la medición directa de las ondas gravitacionales resulta, a pesar de todas estas dificultades, uno de los desafíos más importantes de la física actual.
Con estas mediciones se podría no sólo comprobar que la teoría de Lamine y sus colaboradores es cierta, sino también desvelar los secretos de una fracción del universo hasta ahora inobservada, pero que constituye el 96% del cosmos: la materia oscura.