NeoFronteras

Vídeo de interferencia cuántica

Área: Física — lunes, 2 de abril de 2012

Realizan un vídeo de interferencia cuántica en el que usan moléculas relativamente grandes.

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Patrones de interferencia de moléculas. Fuente: Nature..

Un experimento es una pregunta que se le hace a la Naturaleza. Dependiendo de lo habilidosos que seamos la respuesta puede ser más o menos interesante. Cuando nos vamos a la microescala en la que opera la Mecánica Cuántica (MC) el tipo de experimento que hagamos puede incluso cambiar completamente la respuesta que obtengamos.
Así por ejemplo, si queremos manifestar las propiedades ondulatorias de la luz un experimento de interferencia nos dice que la luz es efectivamente una onda. Si queremos manifestar su naturaleza corpuscular entonces un experimento fotoeléctrico nos dirá que efectivamente la luz se compone de partículas puntuales. La realidad es que la luz es la que es y somos nosotros los que la pretendemos encajar en un modelo mental nuestro, un modelo que no tiene por qué describir completamente la realidad física.
Esta dualidad también se presenta con partículas subatómicas. Así por ejemplo, podemos hacer interferir electrones entre sí y poner de manifiesto su naturaleza ondulatoria. Podemos lanzar un chorro de estas partículas hacia una doble rendija y ver como en la pantalla posterior se pone de manifiesto el típico patrón de interferencia.
Lo más sorprendente de este último experimento es que si de algún modo detectamos por dónde pasa el electrón, por qué rendija, entonces el patrón de interferencia desaparece y tenemos un comportamiento corpuscular. Al fijar un lugar por el que pasa o no el electrón estamos definiéndolo como un corpúsculo y de ahí que desaparezca su carácter ondulatorio.
Todo esto es aún más fascinante cuando en el haz de electrones de este experimento sólo hay un electrón de vez en cuando. Con eso impedimos que el electrón interfiera con otros electrones, pero aún así el efecto acumulado de varios electrones produce el patrón de interferencia. Digamos que la función de ondas del electrón “sabe” que hay dos rendijas y al explorarlas el electrón interfiere consigo mismo. De nuevo, si miramos por dónde pasa entonces desaparece la interferencia.
Este experimento de la doble rendija es muy famoso y viene en todos los artículos y libros de divulgación de MC.
Pero si no nos conformamos con electrones podemos seguir con partículas mayores y seguiremos obteniendo patrones de interferencia. Si usamos átomos completos y los lanzamos contra una doble rendija vemos que se comportan como ondas. También se ha hecho con buckybolas. Pero, ¿dónde está el límite? Los automóviles que van por la carretera no exhiben un comportamiento ondulatorio, no obedecen la MC, son objetos clásicos.

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En algún punto el micromundo deja de ser cuántico para ser clásico al crecer hasta el macromundo. Generalmente se asume que se produce una decoherencia que impide a objetos lo suficientemente grandes exhibir comportamientos cuánticos.
¿A qué escala el mundo cuántico pasa a ser clásico? ¿Depende de nuestra habilidad o es intrínseco?
Pues bien, se ha llegado a realizar el experimento de la doble rendija con moléculas que constan de 400 átomos. Quizás algún día se pueda hacer con virus, no lo sabemos.
Ahora un grupo internacional de físicos ha realizado un vídeo en tiempo real en el que se ve el patrón de interferencia en un experimento de doble rendija cuando se usan moléculas orgánicas de 58 y 114 átomos (C32H18N8 y C48H26F24N8O8 respectivamente). Las moléculas se producen por micro evaporación gracias aun láser, proceso que evita la destrucción de las moléculas y genera un intenso haz coherente de moléculas.
Además crearon una red de difracción (un equivalente de la doble rendija, peor con varias rendijas en lugar de sólo dos) de nitruro de silicio con una separación de 10 nm entre rendijas.

Para la detección de las moléculas emplearon microscopia por fluorescencia que depende de la excitación mediante un láser de las moléculas. La cámara permitía fijar la posición final de las moléculas con una precisión de 10 nm.
El video que grabaron permite apreciar el patrón de interferencia, patrón que responde de maravilla con los que aparecen en los libros de texto.
Se cree que esta tecnología se puede escalar para así usar moléculas aún más grandes. ¿Qué será lo próximo?, ¿grandes moléculas de proteína o ADN?

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Vídeo.

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

  1. tomás:

    Es un experimento muy interesante y el proyecto de buscar el límite es obligado.
    Perdón Neo, pero no entiendo el párrafo 5º “… sólo hay un electrón de vez en cuando. Con esto impedimos que el electrón interfiera con otras electrones, pero aun así el efecto acumulado de varios electrones…” ¿Se refiere a varios electrones sucesivamente, no simultáneamente? Pero el efecto de interferencia se da también con uno solo. ¿?
    Saludos.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Supongamos que se lanza una partícula por minuto o cada media hora o cada dos días. Las partículas impactan sobre la pantalla, película o lo que sea. Si se espera suficiente tiempo sale el patrón de interferencias igualmente.

  3. petrus:

    El artículo afirma, como siempre que se describe este experimento, que la interferencia desaparece en cuanto determinamos la trayectoria del electrón… incluso cuando el lanzamiento se espacia un tiempo. Eso significa que el experimento o lo que subyace tras él conoce lo que está ocurriendo y lo que va a ocurrir. Si el conocer es a su vez un proceso inteligente que además prevé el futuro, ¿ De qué cosa estamos hablando ? ¿ De determinismo absoluto ?
    Pese a quien pese, eso nos lleva, más bien, a considerar el cosmos, el universo, el entorno físico como algo inteligente o sujeto a una inteligencia gobernante. Quedarse en el “La Física explicará algún día la naturaleza de este fenómeno ” me parece, en el fondo, una cobarde huida hacia adelante, por no querer admitir que algo o alguien está al tanto de lo que ocurre o va a ocurrir… en nuestro entorno. Saludos de un perplejo.

  4. NeoFronteras:

    Estimado Petrus:
    Hay que huir a toda costa del pensamiento mágico en estos temas. Lo que nos dice este tipo de experimentos es que nosotros tenemos modelos sobre la realidad y que la realidad, aunque a veces responde a esos modelos, es otra cosa. Digamos que la realidad es inasible, siempre se nos escapa.
    En este caso de la doble rendija, la realidad nos exhibe una respuesta cuando nos empeñamos en forzarla para que encaje en uno de nuestros modelos a través de un experimento. Si nos empeñamos en que exhiba naturaleza corpuscular lo hará, si nos empeñamos en que exhiba naturaleza ondulatoria lo hará.
    Desde el punto de vista técnico se podría decir que no hay partícula, sino función de ondas de la misma. Y la función de ondas en MC se comporta así de rara. La razón última de eso nadie la sabe.

  5. petrus:

    De acuerdo, en parte, con que la razón última de eso nadie la sabe. Como tampoco sabemos si nuestros modelos son válidos o si nuestros métodos de razonamiento lógico o el mismo método científico lo son. Lo que parece cierto es que todos ellos son válidos solo mientras se acomodan con la realidad. Pero siempre hay hechos, momentos o circunstancias en los que ambos sistemas, la propuesta humana y lo real, parecen diverger. Ahora bien, esa divergencia puede ser solo aparente y debida a que nuestros métodos y modelos están o mal elegidos o insuficientemente desarrollados. Pondré un ejemplo.
    En la MC, que se maneja con dimensiones ínfimas, hay un hecho, esencial a mi modo de ver, y que quisiera proponer a vuestra consideración. Sabemos que, al variar el tamaño de los objetos , sus propiedades físicas y geométricas varían de manera que no pueden modificarse con un simple cambio de escala. Incluso es posible que exista un modelo de “cambio de estado” al alcanzar ciertos tamaños mínimos. Así, una partícula 10E3 veces menor que otra tiene un volumen 10E9 veces menor y una superficie envolvente 10E6 veces menor. Por poner un ejemplo, al considerar una partícula cada vez más pequeña, tendemos a considerar que sigue siendo un remedo de otra mayor, física y geométricamente semejante, pero ocurre que es cada vez más esencialmente una pura superficie sin contenido o volumen apreciable , un puro hueco hecho con piel del tejido del espaciotiempo, cuyas propiedades deben asimilarse más a las de una superficie, tal vez la tensión superficial, que al volumen o masa contenidos. De ello se deduce que las propiedades que podemos esperar de una partícula muy pequeña serán preferentemente las de una superficie, en este caso formada por la “cavidad” que la aloja, y cuyo contenido es , tal vez, despreciable frente a dicha superficie… Cómo sea ese tipo de membrana superficial, eso nadie lo sabe. Pero podrían empezar a pensar en ello.
    Veamos algo como pista. La fuerza fuerte, esa que mantiene ligados los nucleones y cuya intensidad crece al intentar separarlos, tiene una pequeña o gran semejanza, a mi ver, con la tensión de una cavidad elástica en la que se alojaran dichas partículas. Al estirarla, y antes de romper, la tensión crece … He aquí un caso donde la superficie y las cualidades de una pequeña cavidad aportan un posible modelo lógico…

  6. tomás:

    Estimado Neo:
    Gracias por tus pacientes explicaciones, en plural porque procuro aprovecharlas todas.
    “… cada media hora o cada minuto o cada dos días”. O cada mes, o cada mil años. Entonces lo importante es el número de partículas lanzadas, con el fin de que consigamos un patrón lo suficientemente denso como para distinguirlo como tal. Si es así, todo me hace suponer que la más íntima naturaleza de la materia es ondulatoria, que al final va a suceder que la materia no es sino “espacio comprimido” y lleno de energía por esa compresión. ¡Jo!

    Y sí, como dices al estimado “petrus”, hay que huir del pensamiento mágico en estos temas. Bueno, en estos y en todos. En los lejanos tiempos en que aún no estaba afianzado mi ateísmo las pocas veces que me acuciaba un problema a ventilarlo con una intervención del resuelvelotodo, oraba para que no me tentase la fe, que debe ser cosa del maligno.
    ¿Nos ocurrirá como a los que no comprendían el movimiento relativo? Me refiero a cuando se pensaba que el movimiento se podía afirmar cuando se notaba la sensación correspondiente. Por ejemplo, viajar en un carruaje estaba claro, pero concebir que “volamos” a 30 km/s en la órbita terrestre sin despeinarnos, no era tan creíble. Quizá sea sólo cuestión de que nuestra mente se acostumbre a aceptarlo para que quepa en ese “sentido común”.
    Cordiales saludos.

  7. tomás:

    Estimado “petrus”:
    Me agrada mucho más tu segundo comentario. En el primero atribuyes algunas cosas a la materia-energía que no son razonables. Ni el experimento, ni sus condiciones son entes que puedan prever nada, sea cual rea el resultado: idéntico, alternativo, irregular, probabilístico, etc., como no lo es el que cuando uno sale de casa haya de hacerlo por la puerta; eso no es prever el futuro. No sé si es el mejor ejemplo. Veamos otro: la piedra cuando cae tampoco prevé que va a caer, pero cae; y lo hace sobre el mismo sitio si cae desde el mismo punto. Fíjate que la piedra cae; nadie inteligente la tira. Y por supuesto eso no autoriza a ninguna lógica para buscar una inteligencia superior, sobrenatural ni nada de eso. La gravedad se basta para hacerlo.
    La frase que rechazas se lo merece. Me recuerda a esa católica: “doctores tiene la Iglesia que te sabrán contestar” con la que nos aconsejaban respondiésemos si nos ponían en aprietos. Ambas tienen la ventaja de liberarnos de pensar por nosotros mismos.

    En tu segundo comentario echas imaginación, intentas explicártelo. Me quedo meditando sobre tu propuesta.

    Saludos afables.

  8. joabbl:

    No parece que haya nacido aún la mente que pueda “desentrañar” la mecánica cuántica. Como suele decirse en estos casos, el cerebro humano ha evolucionado para cazar y guerrear en la sábana, no para entender los misterios del universo. Ya tiene algo de asombroso que hayamos sido capaces de llegar tan lejos (¿hemos llegado realmente tan lejos?). Sea como sea las metáforas macroscópicas no parecen muy aplicables al mundo microscópico y al final surge la tentación del “pensamiento mágico”. Steven Weinberg escribió que cuanto más conocemos del universo menos sentido parece tener. Y menos relación tiene con nosotros. En el fondo nos gusta creer que el universo es como nosotros: piensa, toma decisiones, tiene un plan. En la guía del autostopista galáctico se descubre el sentido del universo y es, nada más y nada menos que “42”.

    Saludos

  9. petrus:

    En alguna ocasión he discutido entre amigos sobre la capacidad del caos como generador de orden, y llegado a la conclusión, por otra parte muy simple en apariencia, de que en un universo o conjunto dado, solo se pueden obtener aquellas consecuencias y propiedades ( algunas inesperadas ) que puedan deducirse de las condiciones iniciales, condiciones que son, en el fondo de la cuestión, la verdadera caja fuerte donde se almacenan todas las potencialidades del citado universo. Dicho en román paladino, que de donde no hay, no se puede sacar. Y viceversa. Si en un conjunto dado se produce inteligencia y conciencia ¿ Cómo son las condiciones iniciales ? ¿ Debe haber inteligencia en el establecimiento de sus condiciones iniciales ?…¿ No lo sabemos ?…Si no lo sabemos ( última pregunta ), deberíamos quedar abiertos a cualquier respuesta que en el futuro se demostrara evidente. Sin embargo, en ciertos ámbitos damos por supuesto que cualquier fenómeno que suceda, cualquier conducta paradógica que se encuentre, debe tener una explicación ( aquí viene el acto de fe por negación ) cuyo carácter ” no debe ” exceder lo físico o lo sometido al escrutinio de la ciencia tal como hoy se conoce. La exclusión, por principio, de toda posibilidad de algo que trascienda lo físico ( en sentido amplio) es también, en cierto modo, una barrera autoimpuesta gratuitamente a nuestra propia capacidad de conocimiento, o como cegar voluntariamente una ventana en nuestra mente inquisitiva.

  10. tomás:

    Estimado “joabbl”: Por alguna razón que no comprendo, debo ser inmune a la tentación del pensamiento mágico. Creo que ese es el camino fácil y el de la incultura profunda, el de la ignorancia consustancial. Alguien puede saber muchas cosas; incluso merecer un nobel en su especialidad o en varias, pero ser ignorante en su interior fundamental. Por otra parte hay muchas cosas que no sé; si es posible, aprenderé cuantas pueda, pero no me tumbaré en brazos de la superioridad de un ser universal, de un gran resuelvelotodo, llámese universo, energía o dios.
    En efecto, nuestro cerebro, al menos en principio sólo estaba hecho para supervivir en la sabana. No para manejar un ordenador; así lo paga nuestra visión. Tampoco para preguntarnos por la causa última de por qué cazábamos un conejo, nos comíamos una carroña o desenterrábamos un tubérculo. Antes no sabíamos qué era el fuego y aun así pudimos manejarlo. Lo mismo pasó con la elecricidad. Y vamos avanzando en la MC. Pero sentido, ¿por qué hemos de buscarle un sentido a la realidad? Ese sentido es un deseo cultural humano. Si no estuviéramos aquí nadie ni nada pretendería un sentido.
    Un cordial saludo.

  11. tomás:

    Estimado “petrus”:
    Pues esa capacidad del caos para generar orden, per se, parece que va contra uno de los pilares más sólidos, la termodinámica.
    De eso o de cualquier cosa, parece deduces que si hay una inteligencia y una conciencia ahora, hubo de haberla en el origen.
    Pero eso implica que si hay vida ahora hubo de haberla en un principio. Vida tal como la conocemos, igual que te refieres a inteligencia y conciencia tal como las conocemos. Porque “de donde no hay no se puede sacar”. Así que lo que ya está hubo de estar siempre, incluso la complejidad.
    ¿No ves que personalizas y atribuyes inteligencia, voluntad, conciencia, etc. a objetos, a estados, a procesos?, ¿no ves que eso no tiene sentido?
    Supongo que no te referirás a un hálito vital, inexcrutable; vamos, divino.
    Precisamente considero que esperar que algo espiritual que trascienda lo físico y que nos permita acomodarnos en que nos es imposible comprender, es poner esa barrera a la capacidad y voluntad de entender la realidad. Ella sola, ya nos pone sus dificultades.
    Saludos con los pies en la tierra, lo más afirmados posible.

  12. petrus:

    Estimado “tomás” : El caos ( al menos el generado informáticamente), suele generar lo que se llaman “islas de orden” zonas en las que aparecen pautas ordenados , al menos en apariencia, diluídas luego en el mar caótico en que nacieron… pero como nuestros caos suelen nacer de funciones más o menos aleatorias, siempre queda un remanente de orden en nuestros caos aproximados.
    Respecto a la termodinámica, solo apuntar que la propia vida, aunque ha de cumplir todas sus leyes se asemeja un tanto a lo anterior: islas de orden (vivo) en el mar de desorden de la entropía creciente e inevitable.
    Creo que no atribuyo nada a nadie. Solo reivindico el derecho ( y el deber) de la ciencia de no cerrar ninguna puerta , por extraña que pueda parecer. La propia MC nos está resultando más extraña de lo que nunca pudimos imaginar… por ejemplo ese modelo de spin no entero donde son necesarias más de una vuelta para recuperar la posición inicial o las implicaciones del principio de indeterminación , que al final parecen describir un micromundo caótico del que surge el ordenado que reconocemos como nuestro… Lo que cada uno espere encontrar en el fondo de la cuestión final creo que está en función del posicionamiento personal frente a sus propias preguntas. Y ahí estamos solos todos y cada uno. Saludos pseudoaleatorios.

  13. lluís:

    Como ha sucedido tantas veces al comentar un artículo, encuentro que las discusiones-argumentaciones que aquí aparecen son muy interesantes,al igual que ese video en tiempo real sobre el patrón de interferencia.¿Que será la próximo?..hombre pongámosle un poco de humor, así pues ¿por qué no una persona?,supongamos que tenemos una función de onda asociada-prescindamos ahora de si una persona está en un estado puro o mezclado- si tuvieramos una función de onda se podría calcular y por tanto incluso podríamos inteferir con nosotros mismos…y de ahí a la teletransportación.Ahora bien antes deberíamos preguntarnos si una persona es la suma de muchas partículas elementales cada una con su propia función de onda o somos un objeto macroscópico individual con una única función de ondas.Esta última pregunta no es ninguna broma.La respuesta está pendiente.

    En definitiva, para responder a tanto “misterio”,creo que vale la pena tener en mente la frase de John A.Wheeler: ” Entenderemos lo sencillo que es el Universo, cuando comprendamos lo extraño que es”.Obviamente, una frase con “trampa”.
    Saludos termodinámicos.

  14. tomás:

    Bien “petrus”, bien. Estoy dispuesto a aceptar las razones que presentas en tu 12 siempre que lo sobrenatural no aparezca por parte alguna ni se otorgue personalidad a objetos o procesos. Por lo demás, en efecto, la ciencia ha de estar abierta a toda investigación por razonable que parezca (es broma).
    En cuanto a tí, “lluís”, -corrígeme si me equivoco- te diré que yo creo que somos una colección de funciones de onda, cuya media colapsada es lo que somos, porque nos percibimos, incluso cuando nos observamos a nosotros mismos. De momento ya vemos que hay moléculas de apreciable dimensión que pueden comportarse como onda. ¿Hasta qué tamaño?
    Un abrazo para ambos.

  15. r:

    ¡Grandiosa disertación han tenido sobre si el universo se va pareciendo más a un pensamiento o a una máquina!

    La verdad es que así como muchas otras cosas, la física ni la mecánica cuántica son mi fuerte. Por lo tanto agradecería que alguien me explicara el brillante experimento, porque sus implicaciones atentan contra mi intuición y mi sentido común, por lo que estoy bien perdidito.

    Del experimento se deduce que la partícula se propaga de forma ondulatoria y probabilística en el espacio, pero una vez que llega al detector su comportamiento es corpuscular y localizado. Supongamos que lo que deseamos estudiar, es el comportamiento ondulatorio de la luz, entonces mediante el diseño del experimento de la doble rendija: un haz de luz es dirigido hacia una rejilla, luego se encuentra con una pared en la que se encuentran dos rendijas y al otro lado de esta pared hay una placa que se encarga de detectar y registrar el patrón de interferencia en el cual (según la imagen que muestra el artículo) las rayas brillantes representan ondas de luz que coinciden en fase y las líneas oscuras representan una ausencia de luz debida a ondas de luz de fase opuesta. Bueno, según otras fuentes de información si se tapa una rendija “aparece un único pico correspondiente a la luz que proviene de la rendija abierta” pero si las dos están abiertas “en lugar de formarse una imagen superposición de las obtenidas con las rendijas abiertas individualmente, tal y como ocurriría si la luz estuviera hecha de partículas, se obtiene una figura de interferencias con rayas oscuras y otras brillantes”.

    Pues, hasta aquí todo bien, pero el asunto se me complica cuando en el artículo se menciona “que si de algún modo detectamos por dónde pasa el electrón, por qué rendija, entonces el patrón de interferencia desaparece y tenemos un comportamiento corpuscular” ¿Qué diantres significa esto? ¿He de entender que si mido porque rendija pasa el electrón o el fotón entonces el patrón de interferencia registrado en la placa o pantalla posterior empieza a borrarse por arte de magia, pero si no lo detecto, el patrón de interferencia permanecerá intacto?

    Otro asunto que no logro comprender es eso de que “la función de ondas del electrón “sabe” que hay dos rendijas y al explorarlas el electrón interfiere consigo mismo” lo comento porque percibo que eso contradice en cierto modo el hecho de que pese a que se envíen partículas de una en una, cada partícula o fotón es poseedor de cierta energía y que al pasar por una de las rendijas el detector de la pantalla detectará inevitablemente a su llegada la misma cantidad de energía. ¿Si se envían uno a uno como van a interferir globalmente tomando en cuenta lo anterior? ¿Cuál es el origen de dicha interferencia?

    Y por último, es el hecho que resulta cuando se “arregla” el experimento, es decir, cuando el experimento se dispone de tal forma que se coloca un detector en cada una de las dos rejillas para saber por cual rendija cruza el fotón antes de impactar con la placa, pero lo que viene después es muy extraño, ya que supuestamente ¡Las franjas desaparecen! ¿qué sucedió y por qué?…

    Disculpen que haya utilizado el fotón y no el electrón para exponer mis dudas, pero lo hago por cuestiones de fácil comprensión. Estoy reprogramado mentalmente para imaginarme los electrones, protones, neutrones, buckybolas, entre otros como simples balines, mientras que como ondas ¡inconcebible!
    Gracias por su gran paciencia. Saludos…

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