NeoFronteras

Mundo clásico a partir del cuántico

Área: Física — Jueves, 29 de Noviembre de 2007

Según dos físicos austriacos podríamos percibir los efectos cuánticos en el mundo macroscópico si fuéramos capaces de aumentar nuestra precisión en las medidas.

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Foto: Wikimedia commons.

Las partículas que constituyen todo lo que vemos obedecen a las leyes de la mecánica cuántica. Según estas leyes tienen comportamientos contraintuitivos y raros a nuestros ojos. Así podemos comprobar que una partícula puede atravesar una barrera de energía aunque la partícula tenga menos energía que dicha barrera, o que la observación de una partícula puede colapsar instantáneamente el estado de otra situada a distancia. Todos estos efectos, y otros más extraños que nos recuerdan a un mundo como el de “Alicia en el país de las maravillas”, se pueden medir para partículas en el laboratorio sin ambigüedad. Pero en el mundo macroscópico cotidiano no vemos este tipo de efectos. Es como si tuviéramos dos explicaciones para el mundo, una cuántica para el mundo microscópico y otra clásica para macroscópico, es decir, como si cada “mundo” tuviera sus propias leyes físicas. Esto constituye una gran paradoja. La explicación que dan los libros de texto a esta aparente contradicción es que la Mecánica Cuántica se aplica a escalas muy pequeñas y sus efectos extraños se suavizan hasta desaparecer completamente por algún mecanismo en las escalas cotidianas que nosotros percibimos.
Según dos físicos austriacos esto no es necesariamente así. Sostienen que podríamos percibir los efectos cuánticos del mundo macroscópico si fuéramos capaces de aumentar nuestra precisión en las medidas.
Johannes Kofler y Caslav Brukner de la Universidad de Viena del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica dicen que la emergencia de las leyes clásicas a partir de las leyes cuánticas no sucede según los objetos se hacen grandes, sino por la manera en la que medimos los objetos. Según ellos si pudiéramos hacer mediciones con una precisión arbitrariamente grande de los objetos macroscópicos en realidad no habría un mundo clásico.
Según las leyes cuánticas una partícula puede existir en una superposición de estados hasta que es observada y entonces colapsa a uno de ellos. Esto constituye el postulado del colapso de la función de ondas y un gran quebradero de cabeza para varias generaciones de físicos. Si aplicamos esto mismo a un hipotético gato tendríamos la famosa paradoja del gato de Schrödinger, en la que llegaríamos al absurdo de no saber si un gato dentro de una caja está vivo o muerto debido a una desintegración nuclear (fenómeno cuántico probabilístico) hasta que no abriésemos la caja, estando en una superposición de estados “vivo-muerto” hasta entonces.
Para resolver esta paradoja se recurre a un proceso denominado decoherencia, que consiste en la destrucción de la superposición cuántica según las partículas interaccionan con el entorno. A más partículas en el sistema más difícil es evitar la decoherencia por haber mayor interacción con el entorno. El sistema del gato de Schrödinger y su entorno es un conjunto de partículas demasiado grande como para mantener la coherencia cuántica de todas ellas y no hay superposición, por lo tanto siempre está en el estado realista en el que no hay ambigüedad: o vivo o muerto, pero no los dos a la vez. Recordemos en este punto que este efecto limitaría seriamente la eficacia de un futuro e hipotético computador cuántico.
Según estos autores aunque la decoherencia se da en la práctica no tiene por qué ser así en principio.
El destino del gato de Schrödinger es un ejemplo de lo que en 1985 Anthony Leggett y Anupam Garg llamaron macrorrealismo. En un mundo macrorrealista los objetos están siempre en un estado simple y podemos hacer mediciones sobre ellos sin alterar ese estado. Nuestro mundo cotidiano parece obedecer estas leyes. Según la visión macrorrealista los gatos de Schrödinger simplemente no están permitidos.
Pero Kofler and Brukner han conseguido probar teóricamente que un estado cuántico puede ser tan grande como se quiera sin necesitad de caer en el macrorrealismo.
Para ello han considerado un sistema magnético similar a lo que sería una brújula sometida a un campo magnético. En el mundo clásico la aguja rotaría con movimientos suaves y sería describible mediante la física clásica. En el mundo cuántico la aguja podría estar en una superposición de orientaciones diferentes y colapsaría a una de ellas en el momento en que tratáramos de medirla.
Entonces, ¿por qué no vemos colapsos cuánticos de este tipo? Los investigadores muestran que eso depende de la precisión de la medida. Si las medidas son un poco borrosas por imprecisas, y por tanto no podemos distinguir un estado cuántico de otros similares, entonces esto suaviza las “rarezas cuánticas” hasta hacerlas desaparecer en la concepción clásica.
Estos autores muestran que una vez se introduce cierto grado de borrosidad en la medida de las variables observadas las ecuaciones describen el comportamiento del objeto como clásico. Y esto pasa independientemente de si hay decoherencia causada por la interacción con el ambiente.
Kofler dice que deberíamos de ser capaces de ver esta transición entre el comportamiento cuántico y clásico. Así el comportamiento clásico estaría puntuado por saltos ocasionales, de este modo la aguja rotaría suavemente pero algunas veces experimentaría saltos instantáneos.
Sin embargo, para poder observar estos saltos se requeriría que fuésemos capaces de medir con gran precisión un número grande de estados cuánticos con lo que la observación no sería posible. Así para un “gato de Schrödinger” de por ejemplo 1020 partículas necesitaríamos poder decir la diferencia entre miles de estados, que serían demasiados para que esto fuera posible. Y un objeto cotidiano (o un gato real) tiene del orden de unos 1024 partículas.
Pero nuestros equipos de laboratorio deberían de ser ya capaces de medir esto mismo para “gatos” más pequeños con un número pequeño de partículas. Quizás futuros experimentos nos aclaren este punto.

Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.
Copia del artículo original en arXiv (abierto).
Artículo original en PRL (resumen).
Leggett, A. J. & Garg, A. Phys. Rev. Lett. 54, 857-860 (1985).

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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9 Comentarios

  1. lluís:

    Dado que el principio de superposición de estados, encierra en si mismo la idea del entrelazamiento cuántico y según se dice tal entrelazamiento constituye el mayor misterio de la mecánica cuántica, quizá futuros experimentos del tipo del comentado, podrían explicar el entrelazamiento, ¿o no?

  2. NeoFronteras:

    La naturaleza siempre va delante de nosotros creando más y más misterio según resolvemos otros previos, mientras que el hombre sólo crea modelos de realidad sobre ella.
    Nunca conocemos la realidad ultima de la Naturaleza, sólo nos aproximamos con nuestros modelos, que nunca son la realidad misma. Se podría decir que no se “descubre”, sino que se “crean modelos” de realidad.
    La realidad suele ser más compleja de lo que creemos y tenemos que ir arreglando y apañando nuestros modelos. A veces nos empeñamos en meter con calzador nuestros modelos (que antes funcionaron tan bien) en la realidad cuando la Naturaleza nos desvela un dato o resultado nuevo, hasta que al final tenemos que abandonar los modelos antiguos y crear nuevos.
    Desde hace casi un siglo no se ha creado Física realmente nueva y paradigmática. Quizás no haya mentes capaces de concebir nuevos modelos físicos o que éstas estén ocupadas en otras cosas más prosaicas.
    Sería de tontos pensar que la Mecánica Cuántica, tal y como la conocemos, sea el modelo definitivo de la Naturaleza. Pero seguro que si algún genio tiene a bien en regalar a la humanidad un nuevo modelo de realidad en Física, éste nos describirá un Universo más extraño, sorprendente y maravilloso que en el que creemos vivir.
    Seguro que la nueva teoría hará del mundo un lugar menos “realista”, y que tengamos que conformarnos con un Universo aún menos determinista, seguro y definido. Seguro que esta nueva fronteras nos producirá vértigo. Quizás al borde de ese abismo algunos seres humanos alcancen un poco más de sabiduría. Otros seguro que no.
    Probablemente nunca resolvamos el gran interrogante sobre la existencia, pero el hecho innegable de que nosotros y nuestras mentes forman parte del Universo, y que por tanto somos el Universo mismo autoestudiándose, nos permita saber un poco más sobre la única realidad observable.
    Sólo espero que algunos afortunados seamos testigos.

  3. tomas:

    Ruego que todo cuanto voy a escribir se interprete desde mi profunda ignorancia cuántica: Nunca me satisfizo esa insuficiente explicación de dos mundos separados, el macro y el micro, completamente ajenos. Ahora parece que alguien experto dice que esa distancia insalvable no es tal, sino que se debe a los instrumentos de medida y esa idea me atrae, sobre todo porque no pudo evitar pensar que las aparente, o no, contradicciones cuánticas también pueden deberse a la misma razón, así como la aplicación de los conceptos clásicos de momento y posición a partículas que admiten el tratamiento de ondas, cuestión ya muy debatida desde los inicios de la teoría. No es que niegue lo evidente de lo cuántico, sino que dudo de su correcta interpretación, sobre todo porque atenta contra mi fe determinista; fe que abandonaré en cuanto resulte convencido de su falsedad. Y lo espero porque, bajo mi limitado punto de vista, una ciencia no determinista y su método, no tendría sentido, pues la corroboración de una experiencia sería aleatoria; ni siquiera probabilística. Para mi, el azar solo es ignorancia de todas las variables en una experiencia y lo probable es una forma tan válida coma la clásica, útil e inevitable al interpretar una realidad compleja.
    Quisiera hacer unas preguntas a quién desee contestarlas: Si la caja del famoso gato fuese transparente ¿como veríamos la experiencia? Y si en vez de la desintegración nuclear utilizásemos una pistola que un mecanismo ciego disparase cada cierto tiempo sin apuntar? ¿Cual sería la diferencia?

  4. tomas:

    ¿Qué problema habría si el código antispam no cambiase? No comprendo cómo no puede resolverse este problema tan molesto. Convendría quizá, en todo caso, explicar ampliamente cual es su funcionamiento. ¿Por qué a veces rechaza y otras no?

  5. NeoFronteras:

    Si el código no cambiase cada vez que se carga la página, un robot siempre podría entrar para colocar el spam.
    Se actualizó el sistema a la última versión. Incluso por un tiempo se usó otro sistema, pero funcionaba peor.
    Aún así se cuela spam de viagras y similares a pesar del segundo filtro que contiene un listado de medicamentos.
    Francamente, da la impresión de que las autoridades que controlan Internet no quieren atacar este problema, o que quieren que crezca hasta límites intolerables para que así adoptemos algún tipo de sistema antidemocrático en Internet.
    Sólo se me ocurre que escriba su comentario en un editor y lo vuelque al cuadro, así si el sistema falla puede intentarlo de nuevo.
    En todo caso su comentario debe de aparecer instantáneamente en su navegador sobre estas páginas. Si no aparece es que ha fallado. Más tarde aparecerá en el navegador de todos los que se conecten.

  6. NeoFronteras:

    En cuanto al famosos gato fue introducido por Schrödinger precisamente para ridiculizar la situación.
    Si la caja es transparente entonces observamos y el colapso de la función de ondas es continuo. No hay superposición de estados.
    El mecanismo se basa en la aleatoriedad cuántica del fenómeno de desintegración nuclear, si lo sustituimos por otro sistema no hay tal aleatoriedad.
    El fenómeno del colapso de la función de ondas ha sido, es y probablemente será un hueso duro de roer para los físicos teóricos. En la Mécanica Cuántica todos los experimentos realizados hasta la fecha han salido bien, incluso los más descabellados. En Scienctific American publicaban hace unos meses incluso cómo hacer experimentos caseros en este campo con un puntero láser.
    Pero siempre queda la interpretación del colapso. La interpretación más aceptada es la de Copenague, pero también hay otras como la de los mundos múltiples de Everett, que suena a ciencia ficción, pero que sobre los papeles del físico teórico funciona muy bien. Su altamente desagrables implicaciones filosóficas son un punto en contra.
    Lo más molesto de todas las interpretaciones de la MC es que todas ellas dan los mismos resultados experimentales.
    El resultado expuesto en el post es un buen camino, pero sólo lo han aplicado a un sistema magnético en concreto. Ya veremos si en el futuro el modelo se generaliza.

  7. tomas:

    ¿Y si el código coincidiese con el nombre de cada uno o con la primera parte del E-mail? Excusen mi insistencia, pues sé que esto no es un correo. Mil gracias.

  8. tomas:

    Es que precisamente, como digo en mi comentario, lo aleatorio para mí, es el desconocimiento de alguna variable. En el caso del revolver está claro que no es una aleatoriedad real, pero cuando un átomo se desintegra es que ha alcanzado un estado previo, posiblemente influído por los átomos de su entorno, en cuyo caso, si así fuera tampoco sería realmente aleatorio.

  9. NeoFronteras:

    Mantener la coherencia cuántica es muy difícil precisamente por ese efecto, la materia colindante influye y destruye dicha coherencia cuántica y la superposición de estados que pueda haber.

    En cuanto a lo que plantea sobre el email no funcionaría. Se necesitaría una primera ver para validar el email y ésto, además de mucho más complicado, podría ser utilizado también por un robot para colar spam. Un sistema que parece funcionar medio bien y que no utiliza este tipo de sistema es Akisme, pero no es libre y gratuito. El comentarista comenta sin más y el sistema comprueba que la dirección web aportada no está en la lista negra de spam.

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