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Experimento de elección retardada de Wheeler

10 Jun

Por Allyson O’Brien

John Archibald Wheeler en 1978 realizó un experimento teórico que pondría a prueba la elección retardada y así cambiar las condiciones de contorno de la ecuación de Schrödinger. Si la teoría era certera, las condiciones iniciales del experimento basadas al fotón aportarían que este podría ser “engañado” actuando como una partícula de la onda o viceversa. Einstein creía a este respecto que así era. Bohr, por otra parte, pensada que el fotón se comportaría como una partícula o una onda basada en las condiciones límite finales. Wheeler describió su experimento de elección retardada con un interferómetro Mach-Zehnder (superpuesto en un campo de béisbol) representadas en la figura 1.

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Figura 1: interferómetro Mach-Zehnder

En su experimento, los fotónes entrarían un divisor de haz medio plateado que reflejaba la mitad de la luz hacia el camino R y la otra mitad por el camino T. Dos espejos regulares reflejarían la luz hacia un segundo divisor de haz. El experimento se estableció para mostrar la Interferencia que ocurre en el detector D2, demostrando así que todos los fotónes tomarían ambos caminos. Si se eliminaba el divisor de haz, se convertiría en ‘Partículas’ y los fotónes tomarían la trayectoria T o la trayectoria R. Por lo tanto, podríamos elegir si los fotónes viajarían por ambos caminos o uno sólo. En palabras de Wheeler:

“Por lo tanto, podemos elegir si los fotónes individuales deben actuar Esquizofrénicamente o no.”

En 1984, el primer experimento de elección retardada se llevó a cabo con éxito. Desde entonces se han realizado varios experimentos más precisos y tecnológicamente avanzados.

Un grupo alemán liderado por Baldzuhn, Mohler y Martienssen publicó un experimento de elección retardada utilizando un interferómetro Mach-Zehnder y pares de fotones producidos por fluorescencia paramagnética. Aunque el experimento fue limitado en su tecnología (la tasa de coincidencias fue menor de lo esperado y lo visto en los patrones de interferencia fue mucho menos del 100%), el experimento produjo resultados similares a los trabajos anteriores de otro grupo experimental alemán.

Hellmuth, Walther, Zajonc y Schleich realizaron dos experimentos; Uno que utilizaba un interferómetro de Mach-Zehnder de baja intensidad y el otro que utilizaba beats cuánticos temporales de fluorescencia atómica. El experimento mostró los mismos resultados tanto para los de interferencia espacial como del dominio del tiempo.

Un experimento más reciente realizado en 2007 intentó replicar el original de Wheeler lo más preciso posible. Vincent Jacques utilizó el pulso de un sólo fotón que entró en el primer divisor de haz y para luego atravesar uno de dos trayectos de 48 metros de longitud antes de acceder en un segundo divisor de haz y golpear los detectores. Este experimento fue el primero en utilizar un sólo fotón.

Resultados extraños: !el sentido común se pierde!

Todos los experimentos mencionados anteriormente producen resultados de acuerdo con la teoría cuántica. No parece importar cuando las condiciones de contorno del experimento se cambian; Sólo las condiciones límite finales del experimento afectarán a si la luz adquiere propiedades ondulatorias o similares a partículas.

Incluso fue propuesto por Englert, Scully y Walther que tal vez cambiando las condiciones fronterizas después de que el experimento hubiera tenido lugar cambiaría el camino a seguir por la partícula, aunque esto fue rápidamente refutado. Dado que la teoría cuántica no mide eventos individuales, estos resultados no plantean ningún conflicto en esta área.

Esto, sin embargo, desafía el sentido común. Los resultados concluyen que después de que una partícula ha atravesado cierto camino, el camino que tomó puede cambiar. Un ejemplo más acentuado se representa en este desafío cuántico cuando Greenstein idea un hipotético experimento de la opción retrasada usando un quasar.

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Figura 2

La luz del quasar con lente gravitacional (ver figura 2) pasa a través en un experimento de elección retardada en la tierra. Si luego ponemos un segundo divisor de haz, de acuerdo con nuestros resultados anteriores, miles de millones de años de historia podrían ser alterados.

Esto nos obliga a tres interesantes preguntas:

1) ¿Cuál es la explicación cuántica?
2) ¿Estos resultados realmente violan la causalidad o pueden resolverse del modo clásico?
3) ¿Quién cuenta como observador?

Pensamientos cuánticos

En la mecánica cuántica, ha habido un debate extenso sobre la ubicación de una partícula justo antes de que se mida. La respuesta más aceptada fue la interpretación de Copenhague. Esto indica que la evolución temporal de la función de onda de una partícula es unitaria (conserva la normalización) hasta que se mide la partícula.

El mismo acto de medir la partícula colapsa la onda, de una manera no unitaria, en una sola posición. Esto, una vez más, obliga a la pregunta, “¿Quién cuenta como observador?” En su tésis el Dr Hugh Everett preguntó ¿qué pasaría si la evolución temporal del universo entero fuera visto como unitario?. Aunque esta idea evitaría la pregunta del observador, significaría que en lugar de que la función de onda se derrumbara, el observador de una medida entraría en una superposición en los resultados posibles.

Aunque no se demostró que estaba equivocado, la mayoría de físicos ignoraron la afirmación de Everett sobre la base de que era demasiado extraña. Einstein sostuvo que las teorías físicas deben ser deterministas para ser completas, y como éstas eran ideas no deterministas, debe haber alguna otra “variable oculta” que no se ha tenido en cuenta.

Como decía Einstein, “Dios no juega a los dados”. El teorema de Bell demostró que no hay manera de reproducir las predicciones mecánicas cuánticas con ninguna teoría de variables locales. Dieter Zeh, de la Universidad de Heidelberg, inició el siguiente paso en la comprensión cuántico-mecánica del experimento de elección retardada.

En su artículo sobre la interpretación de la medición en la teoría cuántica, Zeh mostró cómo la ecuación de Schrödinger tenía un tipo de censura. Este efecto es lo que se conoce como decoherencia.

La decoherencia proporciona una explicación de por qué la ecuación de Schrödinger parece colapsarse tras la medición. La versión corta es que los enredos se generan con casi todos los sistemas y su entorno. Visto juntos, el sistema y el ambiente evolucionan de manera unitaria. Mide el sistema solo mientras que la dinámica del sistema no es unitaria. La decoherencia se estudia a menudo utilizando matrices de densidad, que son generalizaciones estadísticos de las funciones de onda.

Para ilustrarlo, considere un experimento simple en el cual una moneda es lanzada. Hay dos posibles resultados, por lo que el estado del sistema se representa por la matriz de dos por dos que se muestra a continuación.

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Los elementos diagonales son probabilidades para los resultados “cabezas” y “colas”. Los elementos fuera de la diagonal son conjugados complejos que representan, de manera limpia, la cantidad de superposición cuántica entre los dos estados. Para un lanzamiento de monedas clásico, no existe tal superposición y la matriz de densidad es:

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La teoría de la decoherencia predice que las interacciones con el entorno de la moneda tenderá a empujar rápidamente cualquier elemento fuera de la diagonal hacia cero, reemplazando cualquier superposición cuántica por la ignorancia probabilística clásica. Observar el resultado de un lanzamiento de moneda cambia los elementos diagonales de una manera no unitaria.

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El ‘observador’ es responsable de la decoherencia al igual que puede ser cualquier cosa que interactúe con la moneda: un perro, un gato, o incluso un electrón. Esto explica por qué las superposiciones no se ven rutinariamente de forma macroscópica; Es extremadamente difícil mantener los sistemas grandes (como el pobre gato de Schrödinger) aislados del ambiente. Es mucho más fácil mantener objetos microscópicos -digamos, un fotón en un experimento de elección retardada- aislados para que puedan mantener sus secretos y comportamiento cuántico.

El experimento de pensamiento de elección retardada de Wheeler puso a prueba el principio de complementariedad onda-partícula de la mecánica cuántica. Varios experimentos llevados a cabo durante varias décadas mostraron que la predicción cuántica de los resultados de los experimentos era más correcta que las predicciones clásicas (“sentido común”).

La interpretación de las conclusiones sigue siendo un tema de debate. Algunos físicos están intentando encontrar una interpretación clásica -en algunos casos, ignorando completamente la mecánica cuántica por completo- mientras que otros consideran el experimento relevante para explicar la decoherencia cuántica. Como con muchos problemas de pensamiento clásico,mientras que la realización del experimento de Wheeler ha respondido a una pregunta , por otro lado, ha creado varias de nuevas.

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Publicado por en junio 10, 2017 en Artículos, parapsicologia

 

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