10 verdades cuánticas sobre nuestro universo
Desde el momento en que se descubrió que las reglas macroscópicas y clásicas que dictaban la electricidad, el magnetismo y la luz no se aplicaban necesariamente a las escalas subatómicas, se abrió a la humanidad una visión completamente nueva del Universo. Esta imagen cuántica es mucho más amplia y abarca todo lo que la mayoría de la gente entiende, incluidos muchos especialistas. Aquí hay diez conceptos básicos de la mecánica cuántica que pueden hacer que vuelva a examinar cómo imagina nuestro Universo, en las escalas más pequeñas y más allá. Echa un vistazo a estas interesantes verdades cuánticas sobre nuestro Universo:
10 el gato de Schrödinger está vivo o muerto, no ambos
Para comenzar esta lista de verdades cuánticas sobre nuestro Universo, comencemos por informarle que no se entendía bien en los primeros días de la mecánica cuántica, pero la función cuántica de los objetos macroscópicos decae muy rápido. Esta «decoherencia» se debe a interacciones repetidas con el entorno que, en lugares moderadamente cálidos y compactos como los necesarios para la vida, son imposibles de evitar. Esto demuestra que lo que consideramos una medida no requiere un ser humano; simplemente interactuar con el medio ambiente cuenta. También demuestra por qué es muy difícil llevar objetos grandes a la superposición de dos estados distintos y la superposición se desvanece rápidamente.
El objeto pesado que hasta ahora se ha llevado a una superposición de ubicaciones es una molécula de carbono 60, mientras que los más pretenciosos han propuesto hacer esta prueba para detectar virus o incluso criaturas más pesadas como las bacterias. Por lo tanto, se ha resuelto la paradoja que una vez planteó el gato de Schrödinger: la transferencia de una superposición cuántica (el átomo en descomposición) a un objeto grande (el gato). Ahora entendemos que, si bien las cosas pequeñas como los átomos pueden existir en superposición durante largos períodos de tiempo, un objeto grande se asentaría muy rápidamente en un estado particular. Es por eso que nunca observamos gatos muertos y vivos.
9 Pero controlan las pequeñas escalas
En mecánica cuántica, cada partícula es también una onda y cada onda es también una partícula. Las conclusiones de la mecánica cuántica se vuelven muy obvias una vez que se observa una partícula a distancias similares a la longitud de onda asociada. Esta es la razón por la que la física atómica y subatómica no se puede explicar sin la mecánica cuántica, mientras que las órbitas planetarias definitivamente no se modifican por la acción cuántica.
8 Los impactos cuánticos no son necesariamente pequeños
No solemos ver efectos cuánticos en largas distancias porque las correlaciones necesarias son muy frágiles. Sin embargo, trátelos con suficiente cuidado y los efectos cuánticos pueden continuar a grandes distancias. Los fotones, por ejemplo, se han enredado en divisiones de hasta algunos cientos de kilómetros. En los condensados de Bose-Einstein, un estado degenerado de la materia a temperaturas frías, hasta algunos millones de átomos han sido inducidos a un estado cuántico coherente. Y, por último, algunos investigadores incluso aceptan que la materia oscura puede tener impactos cuánticos que abarcan galaxias enteras.
7 Todo es cuestión de incertidumbre
El postulado fundamental de la mecánica cuántica es que existen pares de visibles que no pueden medirse simultáneamente, como por ejemplo la posición y el momento de una partícula. Las verdades cuánticas sobre nuestro Universo es que los pares se denominan «variables conjugadas», y la imposibilidad de medir ambos valores exactamente es lo que hace toda la distinción entre una teoría cuantificada y una no cuantificada. En mecánica cuántica, esta teoría es fundamental, no debido a deficiencias experimentales. Una de las manifestaciones más extrañas de esto es la incertidumbre de la energía y el tiempo, lo que sugiere que las partículas inestables tienen masas naturalmente inciertas, gracias a la E = mc2 de Einstein.
6 Einstein no lo refutó
Contrario a la opinión popular, Einstein no era un negador de la mecánica cuántica. Probablemente no podría serlo: la teoría tuvo tanto éxito al principio que ningún especialista serio podría descartarla. De hecho, fue su descubrimiento ganador del Nobel del impacto fotoeléctrico, lo que demuestra que los fotones se comportan como partículas y como ondas que fueron una de las revelaciones centrales de la mecánica cuántica. En cambio, Einstein disputó que la teoría era incompleta y creía que la aleatoriedad natural de los procesos cuánticos debe tener una explicación profunda. No es que creyera que la aleatoriedad estaba mal, solo creía que este no era el final de la historia. Para una excelente exposición de los puntos de vista de Einstein sobre la mecánica cuántica, recomiendo el artículo de George Musser «Lo que Einstein realmente pensó sobre la mecánica cuántica».
5 La física cuántica, un intenso campo de investigación
La teoría comenzó hace más de un siglo. Pero muchos puntos de vista se volvieron comprobables solo con tecnología contemporánea. La óptica cuántica, la computación cuántica, la termodinámica cuántica, la criptografía cuántica, la información cuántica y la metrología cuántica son áreas de investigación recientemente formadas e inmediatamente muy intensas. Con las nuevas habilidades obtenidas con estas tecnologías, se ha reavivado la inversión en los fundamentos de la mecánica cuántica.
4 No hay acción extraña a distancia
En ningún lugar de la mecánica cuántica se envían datos de forma no local, de modo que saltan sobre un tramo de espacio sin tener que pasar por todas las posiciones intermedias. El entrelazamiento es en sí mismo no local, pero no realiza ninguna acción, es una asociación que no está conectada con el cambio de información no local o cualquier otro visible. Cuando comprende una investigación en la que dos fotones entrelazados están separados por una gran distancia y luego se mide el giro de cada uno, no hay datos que se transfieran más rápido que la velocidad de la luz. De hecho, si intenta reunir los resultados de dos observaciones, esos datos solo pueden viajar a la velocidad de la luz, ¡no más rápido! Qué formas de «información» era una gran fuente de incertidumbre en los primeros días de la mecánica cuántica, pero hoy sabemos que la teoría puede encajar perfectamente conTeoría de la relatividad especial de Einstein en la que los datos no se pueden desplazar más rápido que la velocidad de la luz. Esa es una de las verdades cuánticas más importantes sobre nuestro Universo.
3 El enredo no es idéntico a la superposición
Una superposición cuántica es la capacidad de un sistema de estar en dos estados distintos al mismo tiempo y, sin embargo, cuando se mide, uno encuentra constantemente un estado particular y nunca una superposición. El enredo, por otro lado, es una asociación entre dos o más partes de un sistema, algo completamente diferente. La superposición no es básica: si un estado es o no una superposición depende de lo que necesite medir. Un estado puede, por ejemplo, estar en una superposición de posiciones y no en una superposición de momentos, por lo que todo el concepto es vago. El entrelazamiento, por otro lado, es inequívoco: es una propiedad fundamental de cada sistema y la medida más conocida de la cuantía de un sistema.
2 La cuantificación no implica seguramente discreción
Los «cuantos» son partículas discretas, por definición, pero no todo se vuelve grueso o inseparable en escalas cortas. Las verdades cuánticas sobre nuestro Universo son que las ondas electromagnéticas están compuestas de cuantos llamados «fotones», por lo que las ondas pueden considerarse discretizadas. Y las capas de electrones alrededor del núcleo atómico pueden tener radios discretos claros. Pero otras características de las partículas no se vuelven discretas ni siquiera en una teoría cuántica. El estado de los electrones en la banda conductora de un metal, por ejemplo, no es discreto: el electrón puede ocupar cualquier posición continua dentro de la banda.
1 Todo es cuántico
Ahora sabemos que algunas cosas son mecánicas cuánticas y otras no. Todo sigue las mismas leyes de la mecánica cuántica; es solo que los efectos cuánticos de los objetos grandes son muy difíciles de ver. Es por eso que la mecánica cuántica llegó tarde a la evolución de la física teórica: no fue hasta que los físicos tuvieron que justificar por qué los electrones se asientan en las capas alrededor del núcleo atómico que la mecánica cuántica se volvió esencial para hacer predicciones precisas.
10 verdades cuánticas sobre nuestro universo
- Todo es cuántico
- La cuantificación no implica seguramente discreción
- El enredo no es lo mismo que la superposición
- No hay ninguna acción extraña a distancia
- La física cuántica, un intenso campo de investigación
- Einstein no lo refutó
- Todo es cuestión de incertidumbre
- Los impactos cuánticos no son necesariamente pequeños
- Pero controlan las pequeñas escalas
- El gato de Schrödinger está vivo o muerto, no ambos
Escrito por: AC Claudia