LAS 3 MESAS

La increíble comprensibilidad de una mesa.
Todo está hecho de átomos. Y, sin embargo, los objetos cotidianos no muestran el comportamiento extraño de los átomos y de otros objetos cuánticos. Entonces, ¿por dónde va la frontera entre el espectro cuántico y el mundo clásico?

Mesa de los Tres Reyes 2442 m.

A ojos de la física cuántica la existencia de una mesa y una silla son un misterio

Arthur Stanley Eddington, una eminencia de la astrofísica del siglo XX, no sólo pensaba en estrellas, también en las mesas. Durante 90 años estuvo haciéndose una pregunta banal. La mesa es un objeto cotidiano de materia, estable, sólida, permanente, artefacto del que nos servimos para escribir. A este objeto  Eddington lo llamó “mesa uno. Luego está la mesa dos, una mesa a ojos de la teoría cuántica: “consta de grandes partes vacías, y dispersas en el vacío se desplazan con inusitada celeridad innumerables cargas eléctricas. (. . .) Y a pesar de la extraña estructura la mesa se muestra completamente funcional.” ¿Cómo unir las dos visiones? 

Dos mundos

Esta pregunta asedia a los físicos cuánticos. La mesa es un sistema gigante de objetos cuánticos; ¿Cómo puede entenderse como una cosa en sentido clásico? Esta pregunta, nos sumerge inevitablemente en la profundidad de un problema fundamental difícilmente explorable. Si la teoría cuántica es la teoría universal de la materia, debería aplicarse tanto a las mesas como a los electrones. Pero formular una física que abarque ambos resulta ser molestamente complicado. Lo cual es aún más sorprendente ya que los efectos cuánticos se manifiestan cada vez más en el nivel "clásico". La diferencia entre el mundo cuántico y el clásico no puede deberse al tamaño de los objetos.

¿Entonces? Se debe por decirlo brevemente a dos conceptos centrales de la física cuántica: la aleatoriedad de los eventos físicos y la interferencia o carácter ondulatorio de los estados físicos. Consideremos el lanzamiento de una moneda. Hay dos estados posibles: cara arriba (K) o cruz arriba (Z). Supongamos que ocultamos el resultado después del lanzamiento. Luego describimos la situación de la siguiente manera: la moneda está en estado K o Z, solo que no sabemos cuál de las dos. Solo podemos decir que la probabilidad de encontrarlos en el estado K o Z es idealmente ½. Es una declaración estadística de la incertidumbre. Sin embargo, existe la certeza de que la moneda está "en realidad" en el estado K o Z, independientemente de nuestro conocimiento.

La teoría cuántica lo ve de manera diferente. Describe una partícula (fotón, electrón, átomo o molécula) con la llamada función de estado, que representa el nivel de información sobre la partícula y sus propiedades. Si quisiéramos realizar el lanzamiento cuántico de monedas físicamente, necesitaríamos algo así como monedas cuánticas. De hecho, existen, por ejemplo, en forma de electrones. Los electrones se pueden distinguir en función de su propio momento angular o estados de giro, como "girar hacia arriba" (U) y "girar hacia abajo" (D). En lugar de tirar los dados, usamos un dispositivo adecuado para preparar aleatoriamente el giro de electrones. El estado de la moneda K corresponde al estado del electrón U, el estado Z al estado D.

 

Pero esta coincidencia cuántica difiere de la física clásica en un punto misterioso. Después del lanzamiento, la moneda está en un estado único K o Z. El electrón, por otro lado, no está en un estado inequívoco U o D después del lanzamiento, sino más bien en una superposición de sus dos posibles estados. Puede girar hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo con ciertas probabilidades. Los dos estados interfieren como ondas, una consecuencia inevitable de la teoría.

Bueno, se podría decir que esa es la teoría, pero ¿qué pasa con la realidad de un estado embrujado? ¿Se puede demostrar experimentalmente? Lo que nos lleva a otra pregunta: ¿qué significa realmente la evidencia experimental? Necesitamos un dispositivo de medición. El dispositivo usado de modo clásico registra un estado del electrón. Pero para no se quiere hablar de manera clásica, por lo que se dice: Después de la medición, ya no estamos tratando con dos objetos, sino con un objeto en un solo estado general, una superposición del electrón y el dispositivo. Ahora bien, el aparato generalmente consta de una gran cantidad de partículas. El electrón inevitablemente interactúa con un subconjunto creciente de estas partículas. La ecuación de Schrödinger describe esta dinámica. Y predice que el estado embrujado que inicialmente caracterizó al electrón aislado se extenderá gradualmente al medio ambiente. Y debido a que se distribuye, ya no se puede localizar. Hace ruido en el entorno del aparato, o como se dice: descodifica. Como resultado, no se observa una superposición, sino la propiedad de giro U o D, pero no ambas al mismo tiempo.

Objetos en cuarentena

El físico alemán Heinz-Dieter Zeh propuso esta interpretación de la decoherencia ya en la década de 1970, pero se encontró con una falta de comprensión y rechazo. Sin embargo, desde la década de 1980, gracias a la tecnología experimental cada vez más sofisticada, los físicos han podido preparar electrones, átomos, moléculas e incluso macromoléculas, como los fullerenos en estados espeluznantes. El truco es que debes mantener los objetos en cuarentena para que el efecto cuántico destaque. Varios experimentos, por ejemplo en el equipo del físico de Viena Anton Zeilinger, han demostrado que estos efectos desaparecen en la medida en que se les permite interactuar con el medio ambiente. El físico francés Serge Haroche recibió el Premio Nobel en 2012 por sus experimentos sobre decoherencia.

Fullereno

Por supuesto esta interpretación no basta para otros físicos como Wojciech Zurek. Debido a que la teoría cuántica simplemente dice que un electrón está en una superposición de muchos posibles estados de - electrones –más- el – dispositivo- después de su interacción con el dispositivo de medición. Sin embargo tras una medición solo queremos decir: el aparato mide el estado del electrón. Punto.

Zurek habla del "estado del puntero". Y define el proceso de medición como un proceso de selección de todos los estados cuánticos posibles, de modo que, en última instancia, solo queda un estado privilegiado. Hace clic en el escritorio, un signo de la aparición de un electrón. En términos de teoría cuántica esto significa que la superposición cuántica ambigua decodifica el electrón más el contador a un estado de puntero clásico único. La decoherencia, por lo tanto, actúa como una especie de "selección cuántica darwiniana". Solo cierto "ajuste" sobrevive en el aparato, es decir: condiciones clásicas. Zurek se refiere a esto como "una selección": "súper selección inducida por el medio ambiente".

Un concierto de interpretaciones

¿Qué significa esto para la mesa de Eddington? Hoy en la edad de las partículas tenemos que decir que hay TRES mesas. La mesa uno y la mesa dos y la mesa cuántica tres. La física clásica se pregunta: ¿Cómo se compone una mesa de innumerables partículas individuales? Por el contrario, la física cuántica pregunta: ¿cómo y cuántas opciones de descripción hay para una mesa compuesta de innumerables objetos cuánticos individuales? Trata a la mesa número tres como una condición general única, una monstruosa superposición de todas las mesas posibles. Solo a través de la interacción con el entorno más amplio, la espeluznante mesa número tres descodifica la mesa número uno real. El mueble real sobre el que estoy escribiendo aquí y ahora es básicamente el resultado de la selección darwiniana cuántica de una gran colección teórica de muebles esparcidos por el resto del mundo…

¿Quedó claro? Daremos una respuesta prudente: los físicos trabajan en vistas a una visión unificada, pero todavía no está claro dónde exactamente se sitúa el límite entre cuántica y clásica. Decoherencia cuántica y darwinismo son una voz más en el concierto de las interpretaciones de la física cuántica. Cada voz individual entona una melodía más o menos plausible, pero todas juntas dan lugar a una estridente cacofonía sin sentido. La cuántica parece un mundo de duendes: en él la solución a un enigma se transforma en el enigma de la solución. Y ahí estriba la profunda ironía de la mesa. “No soy lo que quieres decir que soy”, nos dice, y a pesar de todo sigo sirviendo como sólido objeto sobre el cual seguir especulando sobre la física cuántica.

Eduard Kaeser 4.01.2020