"La física cuántica nos ha revelado un universo donde las partículas pueden estar en múltiples estados a la vez, donde la información puede viajar instantáneamente a través del espacio y donde el pasado puede ser reescrito." -José Daniel Figuera
Más allá de lo evidente: Experimentos que desafían la realidad
Por: José Daniel Figuera
1. El gato de Schrödinger: vivo y muerto a la vez.
Uno de los experimentos mentales más famosos en la física cuántica, el gato de Schrödinger, ilustra la naturaleza contraintuitiva de la superposición cuántica. En este experimento hipotético, un gato se encuentra en una caja junto a una sustancia radiactiva y un dispositivo que, si detecta radiación, rompe una ampolla de veneno. Según las leyes de la mecánica cuántica, hasta que se abra la caja y se observe al gato, este se encuentra en una superposición de estados: vivo y muerto al mismo tiempo. Este experimento plantea interrogantes fundamentales sobre la naturaleza de la medición y la realidad objetiva. La superposición cuántica sugiere que las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez hasta que son medidas, lo que desafía nuestra intuición clásica de que un objeto debe tener un estado definido.
Imagina una caja cerrada. Dentro de esta caja hay un gato, una botella de veneno y un dispositivo con un átomo radiactivo. Este átomo tiene una probabilidad de desintegrarse en un cierto período de tiempo. Si el átomo se desintegra, activará un mecanismo que romperá la botella, liberando el veneno y matando al gato.
Según las leyes de la mecánica cuántica, el átomo puede estar en una superposición de estados: es decir, puede estar desintegrado y no desintegrado al mismo tiempo, hasta que lo observemos.
Aquí viene la parte extraña: si aplicamos las mismas leyes a todo el sistema dentro de la caja (gato, veneno, dispositivo), entonces, mientras la caja esté cerrada y no la abramos para mirar, el gato estará en una superposición de estados: estará vivo y muerto al mismo tiempo.
2. El experimento de la doble rendija: partículas como ondas
Cuando se dispara un electrón a través de dos rendijas hacia una pantalla, se observa un patrón de interferencia, similar al que producirían las ondas en un estanque. Este experimento demuestra que las partículas, como los electrones, pueden exhibir propiedades ondulatorias, desafiando la concepción clásica de una partícula como un objeto localizado. La interpretación de este experimento ha llevado a desarrollos revolucionarios en la física cuántica, como la teoría de la dualidad onda-partícula. La dualidad onda-partícula sugiere que la materia puede manifestarse tanto como onda como partícula, dependiendo de cómo se mida, lo que desafía nuestra visión intuitiva de la naturaleza de la materia.
Imagina que tienes una pistola que dispara pequeñas bolas de pintura. Si apuntas hacia una pared con dos ranuras, las bolas pasarán por una u otra ranura y dejarán marcas individuales en la pared. Es lo que esperaríamos que suceda, ¿verdad?
Ahora, imagina que en lugar de bolas de pintura, disparas electrones, que son partículas muy pequeñas. Si haces este experimento, algo sorprendente ocurre: en lugar de ver dos líneas de impactos en la pared, como esperaríamos, vemos un patrón de interferencia, similar a las ondas que se forman cuando arrojas una piedra a un estanque.
3. El experimento de Aspect: la no localidad cuántica
El experimento de Aspect confirmó la existencia de un fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico. En este fenómeno, dos partículas pueden estar entrelazadas de tal manera que el estado de una partícula está instantáneamente correlacionado con el estado de la otra, independientemente de la distancia que las separe. Este resultado desafía la noción de localidad, que establece que las influencias físicas no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz. La no localidad cuántica plantea profundas preguntas sobre la naturaleza de la realidad y el espacio-tiempo.
Imagina dos monedas que están conectadas de una manera muy especial. Si lanzas una al aire y sale cara, automáticamente sabes que la otra, sin importar lo lejos que esté, mostrará cruz. Es como si las monedas supieran instantáneamente lo que está haciendo la otra, sin necesidad de ningún tipo de señal entre ellas.
Este fenómeno, aunque parezca magia, es lo que ocurre en el mundo cuántico. Y el experimento de Aspect fue diseñado para demostrarlo.
En este experimento, se utilizan partículas entrelazadas. Imagina dos partículas que están conectadas de tal manera que medir una instantáneamente determina el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe.
4. El experimento de la goma de borrar cuántica:
Este experimento demuestra que el resultado de una medición cuántica puede ser alterado retroactivamente, como si el pasado pudiera ser cambiado. En este experimento, un fotón pasa a través de un par de divisores de haz, lo que crea dos posibles caminos. Al medir el fotón en uno de los caminos, se determina su trayectoria. Sin embargo, si se realiza una segunda medición que borra la información sobre el primer camino, el fotón parece haber tomado ambos caminos a la vez. Este experimento desafía nuestra noción de causalidad y sugiere que el pasado puede ser reescrito.
Imagina que tienes una pelota de béisbol. Si la lanzas hacia una pared con dos agujeros, podrás ver dónde choca la pelota en la pared del fondo. Pero si lanzas una partícula muy pequeña, como un electrón, a través de dos rendijas muy finas, algo extraño ocurre: la partícula se comporta como una onda y crea un patrón de interferencia en la pantalla, similar a las ondas en un estanque cuando arrojas una piedra.
Este es el corazón del experimento de la doble rendija. Demuestra la naturaleza dual de las partículas cuánticas: a veces se comportan como partículas y otras como ondas.
Ahora, la goma de borrar cuántica le añade un giro interesante. Imagina que tenemos un dispositivo que nos permite saber por cuál de las dos rendijas pasó el electrón. Al medirlo, estamos "colocando una etiqueta" en el electrón, y esta etiqueta destruye el patrón de interferencia. El electrón se comporta como una partícula, siguiendo una trayectoria definida.
Pero aquí viene lo sorprendente: ¿Qué pasaría si pudiéramos "borrar" esa etiqueta después de que el electrón haya pasado por las rendijas? Resulta que, en ciertas condiciones, podemos hacer esto. Y cuando borramos la etiqueta, ¡el patrón de interferencia vuelve a aparecer! Es como si el electrón "olvidara" que habíamos medido por dónde había pasado.
5. El experimento de Bell: desigualdades de Bell y realismo local
Las desigualdades de Bell son un conjunto de desigualdades matemáticas que se derivan de la suposición de que las variables ocultas locales determinan los resultados de las mediciones cuánticas. Sin embargo, numerosos experimentos han demostrado que estas desigualdades se violan sistemáticamente, lo que implica que la realidad cuántica no puede ser descrita por una teoría local y realista. Este resultado sugiere que la realidad cuántica es fundamentalmente no local y que las partículas entrelazadas pueden estar conectadas de una manera que desafía nuestra intuición clásica.
Imagina dos dados especiales que están conectados de una manera muy extraña. Cuando tiras uno de los dados, el otro, sin importar lo lejos que esté, siempre mostrará el número opuesto. Es como si los dados supieran lo que está haciendo el otro al instante, sin importar la distancia.
Las desigualdades de Bell son como unas reglas matemáticas que nos dicen cómo deberían comportarse esos dados si fueran objetos normales. Estas reglas dicen que no importa cómo estén conectados los dados, nunca podrán mostrar resultados opuestos de manera tan perfecta todo el tiempo.
Sin embargo, cuando los científicos hicieron experimentos con partículas cuánticas (como electrones o fotones), descubrieron que se comportaban como esos dados especiales. Es decir, violaban las reglas de Bell. Esto significa que las partículas cuánticas pueden estar conectadas de una manera que va más allá de lo que podemos explicar con nuestras teorías clásicas.
Estos experimentos, entre muchos otros, han demostrado que nuestra percepción de la realidad es solo una aproximación a una realidad mucho más compleja y fascinante. La física cuántica nos ha revelado un universo donde las partículas pueden estar en múltiples estados a la vez, donde la información puede viajar instantáneamente a través del espacio y donde el pasado puede ser reescrito. Estos descubrimientos no solo han revolucionado nuestra comprensión del mundo físico, sino que también han planteado profundas preguntas sobre la naturaleza de la conciencia, el libre albedrío y el significado de la realidad misma.