Brecha Digital

Explorador de mundos maravillosos

El próximo lunes llegará a Uruguay el científico francés Serge Haroche, recientemente galardonado con el premio Nobel de física. Su visita se produce en el marco de la conferencia internacional Quantum Optics VI que tendrá lugar en el Argentino Hotel de Piriápolis entre el 12 y el 16 de noviembre. Haroche obtuvo el reconocimiento de la Real Academia de las Ciencias de Suecia por experimentos en los que consiguió manipular con éxito objetos individuales del extraño universo cuántico.

La física que al hombre de la calle le resulta más familiar es, naturalmente, aquella que describe situaciones cotidianas: objetos no muy grandes ni muy pequeños que viajan a velocidades muy bajas comparadas con la velocidad de la luz, que es una constante universal y un límite físico insuperable. Esa ciencia del sentido común y de los fenómenos mundanos es la mecánica clásica de Galileo Galilei (1564-1642) e Isaac Newton (1643-1727), que fue desarrollada entre los siglos xvi y xix. Los principios fundamentales de la física cuántica, por su parte, fueron establecidos en las primeras décadas del siglo xx, después de haberse descubierto que la mecánica clásica resultaba inadecuada para describir la naturaleza a escala atómica y subatómica.
En la vida cotidiana los objetos tienen una localización espacial precisa y siguen trayectorias bien definidas. Para la mecánica clásica todos los fenómenos del universo son el resultado de cambios en la distribución espacial de ese tipo de objetos de comportamiento familiar. El mundo atómico y subatómico, en cambio, es un universo extraño. Los objetos muy pequeños presentan comportamientos desconcertantes que desafían el sentido común. A veces se comportan como partículas (como cuerpos pequeños), es decir, como lo harían los objetos macroscópicos, pero otras veces se comportan como ondas. En la medida en que no son obligados a definirse por uno u otro comportamiento, los objetos microscópicos simplemente adoptan ambos. Es que en el mundo cuántico las cosas son así. Los objetos no tienen ubicaciones espaciales ni trayectorias bien definidas y, en general, pueden estar en varios estados físicos superpuestos. Esto último quiere decir que pueden tener, al mismo tiempo, propiedades que son macroscópicamente excluyentes. La física cuántica proporciona el marco conceptual para comprender estos fenómenos extraños, o al menos para predecirlos.
Desde hace varios lustros Serge Haroche y sus colegas del laboratorio Kastler-Brossel de la Escuela Normal Superior de París han venido manipulando con éxito objetos del mundo cuántico. Para ello se sirven de un diseño experimental en el que átomos individuales son usados para observar las propiedades de partículas de luz atrapadas en una cavidad. El estadounidense David J Wineland y sus colegas del laboratorio de física del Instituto Nacional de Patrones y Tecnología de Boulder, Colorado, vienen haciendo algo similar, con un diseño experimental diferente, por un período análogo. Por esos experimentos Haroche y Wineland fueron reconocidos con el premio Nobel el pasado 9 de octubre.

UN MUNDO DE POTENCIALIDADES. La física cuántica tiene varias características sobresalientes y distintivas. No es posible abordarlas todas en estas líneas y tampoco es necesario. Bastará con decir que una de ellas es que describe un mundo en el que propiamente no existen hechos, sólo potencialidades. Las potencialidades de las que habla la teoría se convierten en hechos cuando el sistema sufre una interferencia externa, es decir, cuando su normal desarrollo es interrumpido por el contacto con un objeto macroscópico. Los objetos macroscópicos obligan al sistema a definirse: lo fuerzan a tomar una y sólo una de las alternativas que la teoría marca como posibles. La mecánica cuántica no explica, en principio, cómo pasan los sistemas físicos microscópicos de las meras potencialidades a los hechos observados. Un célebre experimento, el “experimento de las dos rendijas”, que sin exagerar demasiado podría considerarse como el más importante de toda la historia de la ciencia, servirá para ilustrar esta característica distintiva del mundo cuántico.
Considérese una fuente de luz de muy baja intensidad. En el experimento, las partículas de luz (los fotones) pasan individualmente, a intervalos regulares, por un diafragma con dos rendijas y finalmente son detectadas mediante una placa fotográfica al otro lado del diafragma (véase imagen). Cada vez que una partícula llega a la placa deja un impacto observable en una región bien definida de ésta. Luego de cierto tiempo (el necesario para que un número apreciable de partículas haya impactado en la placa) podrá observarse un patrón de oscurecimiento proporcional a la densidad de impactos en cada región.
Si las rendijas se abren en forma alternativa, luego de esperar el tiempo necesario se observa un patrón de oscurecimiento que es más intenso delante de la rendija que queda abierta (figuras A y B).
Ahora bien, si se abren las dos rendijas en forma simultánea, luego de esperar el tiempo necesario se observa un resultado desconcertante: el patrón de oscurecimiento no resulta más intenso delante de las rendijas (figura C, línea entrecortada), como podría esperarse, sino que se registra el típico patrón de interferencia con franjas alternadas oscuras y brillantes que es propio de los fenómenos ondulatorios, como las ondas de agua en un lago (figura C, línea continua). Tal comportamiento sólo tiene sentido si cada fotón que pasa por el diafragma interfiere consigo mismo, es decir, si se comporta como una onda y pasa simultáneamente por ambas rendijas. El experimento se ha llevado a cabo con otras partículas elementales (e incluso con moléculas) y se ha obtenido el mismo resultado.
Mientras sólo estuvo abierta una de las rendijas, el fotón se comportó como un corpúsculo, pero cuando se abrieron ambas se comportó como una onda, al menos durante su desplazamiento, pues al llegar a la placa fotográfica impactó en un punto definido, tal como lo haría un corpúsculo. De alguna manera el fotón presenta un comportamiento dual: ondulatorio durante su propagación y corpuscular cuando impacta en la placa fotográfica. El lugar específico en que impactará no se puede predecir teóricamente: sólo es posible conocer la probabilidad de que aparezca en una zona determinada. La curva de probabilidades que predice la teoría se corresponde en la práctica con el patrón de interferencia que se observa experimentalmente: eso confirma las predicciones teóricas.
La interpretación según la cual el fotón presenta un comportamiento dual es reforzada por la siguiente observación: si se intenta determinar la posición del fotón en un punto anterior de su desplazamiento, por ejemplo, al pasar a través del diafragma, el comportamiento ondulatorio desaparece y el patrón que se imprime en la placa fotográfica es o bien el que se ve en la figura A o bien el que se ve en la figura B.
Los físicos llaman “medida” al proceso por el cual el fotón llega a ocupar una región definida del espacio, pero es importante señalar que ello no involucra necesariamente la participación de un observador humano. La medida sólo requiere que el sistema microscópico que va a ser “medido” interactúe con otro sistema cuyo comportamiento sea clásico. Desde luego, no cualquier sistema, por clásico que sea su comportamiento, permitirá medir cualquier magnitud. En el ejemplo anterior, la placa fotográfica es un instrumento de medida, porque la interacción entre el fotón y la placa permite determinar cuál es la posición exacta en que ha impactado la partícula. El diafragma también puede ser considerado un instrumento de medida, pero en su interacción con el fotón resulta incapaz de reducir todas las trayectorias posibles a una. El fotón pasa por ambas rendijas, pero sabemos que no lo hace por la pared del diafragma: en este sentido, se ha operado una cierta medida de su posición, aunque no una medida completa. Si se dispone un mecanismo de localización más fino para determinar exactamente el lugar por el que pasa el fotón, las posibilidades se reducen a una u otra en forma excluyente y el comportamiento ondulatorio se destruye por completo. No tiene importancia que un experimentador humano observe el proceso, pero sí importa que la interacción con el objeto macroscópico sea sensible a la magnitud que se quiere “medir”.

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