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Experimento de elección retardada de Wheeler

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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Usos y abusos de la mecánica cuántica

Por Alberto C. De la Torre

La mecánica cuántica tiene un problema con su nombre. Es demasiado atractivo y misterioso. Si se hubiese llamado “teoría de cota inferior a la acción para el modelado de sistemas físicos”, la habrían dejado tranquila y no sería necesario salir a explicar que en numerosos usos de la palabra “cuántica” no hay ninguna relación válida con la física. A diferencia de lo que sucede con la medicina, no existe una ley que proteja contra el “ejercicio ilegal de la física” y no hay penalidad para los que abusan de ella para propagar falsedades o para justificar ideologías esotéricas. Debemos entonces informar y educar a la sociedad para que no se deje embaucar por los charlatanes que invocan a la mecánica cuántica con el fin de hacer creíbles sus delirios.

Un poco de historia

A fines del siglo XIX se creía que las teorías físicas disponibles eran suficientes para explicar todos los fenómenos de la naturaleza. Se pensaba entonces que toda pregunta referida al comportamiento de los sistemas físicos encontraría una respuesta correcta mediante la aplicación de las llamadas teorías clásicas. Tal era la confianza que se tenía en la física clásica, que se anunciaba “el fin de la física”. Solamente había un par de “pequeños problemas” que la física clásica no lograba explicar. Uno estaba relacionado con el color de los cuerpos incandescentes y el otro con la variación en la velocidad de la luz cuando la fuente emisora está en movimiento. El anuncio del fin de la física resultó ser tan falso como esperamos que sea falso el anuncio -promulgado a fines del siglo XX- del fin de las ideologías. En efecto, de esos “pequeños problemas” surgieron dos grandes revoluciones de la física que conmocionaron a todos los ambientes culturales: la mecánica cuántica y la relatividad. No trataremos aquí a la relatividad y nos dedicaremos a exponer los aspectos esenciales de la revolución cuántica.

Éxitos y fracasos de la física clásica

La física clásica, la del siglo XIX, es extremadamente exitosa para describir el comportamiento de sistemas físicos, llamados macroscópicos, que son los que podemos percibir directamente con nuestros sentidos. Las piedras, los motores, la luna y los planetas, los ríos, los relojes, los rayos y los truenos, el viento, las olas y mareas, las máquinas y los procesos con todas sus propiedades de masa, energía, impulso, el calor, la luz y los colores y una inmensidad de cosas que encontraban explicación satisfactoria con la física clásica. Es interesante notar que todos estos sistemas físicos y procesos son los que han intervenido en el desarrollo de nuestra intuición, esto es, en la expectativa que tenemos y que usamos para predecir el comportamiento de las cosas. Si soltamos un objeto, predecimos que va a caer, porque eso es lo que hemos experimentado miles de veces. Si dejamos un objeto en un lugar, esperamos que permanezca allí o que se mueva de acuerdo a causas conocidas. Si un objeto puede tener alguna propiedad como cierta posición o cierta velocidad, o cierto color, esperamos que estas propiedades estén presentes o ausentes, pero con certeza. Debido a que el desarrollo de la intuición ha sido influenciado por nuestro contacto con sistemas que describe correctamente la física clásica, decimos que la intuición es clásica.

La física clásica fracasa, hace predicciones falsas (que no se corroboran en los experimentos) cuando se la aplica a sistemas físicos muy pequeños, livianos y tenues. Para éstos se desarrolló la mecánica cuántica, que se aplica con formidable éxito a sistemas 10 mil millones (1010) de veces más pequeños que los sistemas perceptibles por nuestros sentidos, 1.000 cuatrillones (1027) de veces más livianos y 10.000 quintillones (1034) de veces menos activos y más débiles. ¿Tenemos derecho a pensar que nuestra intuición, desarrollada con los sistemas clásicos, se aplique correctamente a sistemas físicos tan alejados de nuestros sentidos? ¡Claramente no! Otorgarnos ese derecho sería repetir el error antropocéntrico tantas veces cometido en la historia de la ciencia. Por ello, debemos estar preparados para aceptar que el comportamiento de los sistemas cuánticos viole nuestra intuición y nos asombre. La mecánica cuántica nos sugiere educar la intuición para hacer aceptables ideas altamente anti-intuitivas y asombrosas pero necesarias en la descripción del comportamiento de los sistemas cuánticos. En cierto sentido, la mecánica cuántica es “paranormal” porque los sistemas cuánticos se comportan en forma diferente a lo que “normalmente” estamos acostumbrados a observar. Sin embargo, a diferencia de los supuestos fenómenos paranormales, las predicciones asombrosas de la mecánica cuántica cuentan con una abrumadora evidencia experimental. La teoría cuántica es asombrosa pero ha sido confirmada por experimentos de altísima precisión. Por ejemplo, el cálculo del momento magnético del electrón ha sido comprobado con una precisión tan grande como la que resultaría de medir la longitud del ecuador de la tierra con un error menor a una décima de milímetro.

La revolución cuántica

La característica esencial y revolucionaria de la mecánica cuántica es que, además del valor asociado a cada observable de la realidad, aparece indisociablemente otra cantidad que está relacionada con cierta indeterminación, o incerteza, o error, o imprecisión, o difusión, o dispersión, o variación, en el valor asignado al observable. Los múltiples nombres que hemos presentado son indicativos de la ambigüedad de interpretación que aqueja a esta cantidad. Los dos primeros, indeterminación e incerteza, son los más usuales y corresponden a dos interpretaciones opuestas que no explicaremos aquí. Cuando la indeterminación de una cantidad es grande y hacemos experimentos para observar dicha cantidad, obtendremos diferentes valores que manifiestan la incerteza en la cantidad medida. La teoría no puede predecir con exactitud el valor que mediremos y sólo nos da la probabilidad asociada a cada valor. La mecánica cuántica sugiere la existencia del indeterminismo en la realidad. Más asombroso aún, sucede que las indeterminaciones en las cantidades observables no son todas independientes sino que están relacionadas de manera inexplicable para nuestra intuición clásica. Por ejemplo, la indeterminación en la posición de un objeto puede hacerse pequeña, pero lo hará a expensas de una gran indeterminación en su velocidad. Un electrón bien localizado se comporta como una partícula, aunque con velocidad indefinida. Viceversa, si lo obtenemos con una velocidad bien definida se comportará como una onda sin ubicación precisa. Esta es la llamada dualidad onda-partícula. Existen experimentos en que los electrones se manifiestan como ondas, similares a la luz, cuando pasan por rendijas: interfieren y difractan pero en otros experimentos, los mismos electrones impactan puntualmente como partículas. ¿Qué es entonces un electrón, una partícula o una onda? La mejor respuesta a esta difícil pregunta es: ¡ni una cosa ni la otra! La realidad del electrón es algo maravillosamente bello y sutil que no debe describirse con nuestra intuición clásica, aunque en ciertos experimentos muestre una cara similar a la de una partícula y en otros a la de una onda. Onda y partícula son dos diferentes perspectivas clásicas de una misma realidad cuántica compleja. Son dos visiones complementarias de la realidad. Niels Bohr creó el concepto de “complementariedad” para caracterizar a la posibilidad de coexistencia de propiedades opuestas, incompatibles, que son por un lado necesarias para la descripción completa del sistema físico pero por otro lado no pueden ser consideradas simultáneamente porque se excluyen.

La distorsión paranormal

La aparición de la mecánica cuántica ha tenido grandes consecuencias culturales y filosóficas por un lado, científicas y tecnológicas por el otro y, desafortunadamente, también ha sido avasallada como instrumento para engañar y estafar. Veamos brevemente estos tres aspectos. Primero, la mecánica cuántica ha introducido una nueva forma de concebir la existencia de los objetos microscópicos. Estos objetos existen pero sus propiedades difieren de las que asignamos a los objetos grandes que percibimos directamente con nuestros sentidos. Así podemos concebir que una partícula puede existir (ser) pero no tener una localización exacta (estar); que la observación de alguna característica de la realidad no implica la puesta en evidencia de una propiedad preexistente (indeterminismo); que toda descripción que hagamos del objeto con conceptos clásicos, obligatoriamente excluye otras posibles descripciones (complementariedad). La mecánica cuántica ha hecho un gran aporte al debate filosófico al demostrar que el realismo ingenuo, que propone que la realidad es tal cual como nosotros la percibimos, es falso. En el segundo aspecto, el impacto científico y tecnológico de la mecánica cuántica es gigantesco. “La mecánica cuántica explica toda la química y gran parte de la física” dijo algún famoso. El desarrollo de nuevos materiales, toda la electrónica, la superconductividad, la energía nuclear y casi la totalidad de la tecnología moderna no hubiera logrado el nivel de desarrollo alcanzado sin la mecánica cuántica. Finalmente, es importante aclarar que los efectos asombrosos de la mecánica cuántica aparecen en sistemas físicos extremadamente pequeños, tenues y livianos, pero para sistemas físicos grandes, como los que nosotros percibimos con nuestros sentidos, estos efectos asombrosos se promedian, se cancelan, y emerge así el comportamiento “normal” que acostumbramos a percibir. La transición de lo cuántico a lo clásico, llamada “decoherencia”, se presenta ya al nivel submolecular y es por lo tanto falso pensar que la mecánica cuántica pueda explicar fenómenos macroscópicos “paranormales” (en rigor, nunca observados) tales como la telekinesis, bilocalidad y otros. Tampoco brinda la mecánica cuántica algún soporte a creencias religiosas o misticismos orientales. Ying-yang, tao, holismo, terapias cuánticas, fenómenos paranormales y teletransportación, entre otros, no tienen nada que ver con la física cuántica, y los que invocan el enorme prestigio y rigor de esta teoría para aportar alguna credibilidad a esas charlatanerías están simplemente engañando; si además, como es usual, sacan de eso algún rédito económico, están estafando.

Fuente.

 
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Publicado por en diciembre 11, 2014 en Artículos

 

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