|
del Sitio Web QuantaMagazine
traducción de
Adela Kaufmann
Olena Shmahalo
Revista Quanta
Después de que los investigadores encontraron un vacío que los objetos quánticos no tienen propiedades intrínsecas, tres grupos experimentales rápidamente cosieron y cerraron el vacío. El episodio cierra la puerta a muchas Teorías de "variables ocultas".
El físico teórico John Wheeler utilizó una vez la frase "gran dragón ahumado" para describir una partícula de luz que pasa de una fuente a un contador de fotones.
El fotón, en otras palabras, tiene una realidad definida al comienzo y al final
Pero su estado en el medio, el cuerpo del dragón, es nebuloso.
Wheeler estaba propugnando la opinión de que los fenómenos quánticos elementales no son reales hasta que son observados, una posición filosófica llamada antirrealismo.
Incluso diseñó un experimento para mostrar que, si se aferra al realismo, en el que los objetos quánticos, como los fotones, siempre tienen propiedades intrínsecas definidas, una posición que encapsula una visión más clásica de la realidad, entonces uno se ve obligado a admitir que el futuro puede influenciar el pasado...
Dado el "absurdo" del viaje en el tiempo hacia atrás, el experimento de Wheeler se convirtió en un argumento para el antirrealismo en el nivel del quantum.
Rafael Chaves, un físico en el Instituto Internacional de Física, y sus colegas usaron el emergente campo del modelado causal
para encontrar un vacío en el experimento de elección retrasada de Wheeler.
Pero en mayo, Rafael Chaves y sus colegas en el Instituto Internacional de Física en Natal, Brasil, encontraron un vacío.
Mostraron que el experimento de Wheeler, dadas ciertas suposiciones, se puede explicar utilizando un modelo clásico que atribuye a un fotón una naturaleza intrínseca.
Le
dieron al dragón un cuerpo bien definido, pero que está oculto del
formalismo matemático de la mecánica quántica estándar.
Sus resultados, informados a principios de junio, han demostrado que una clase de modelos clásicos que defienden el realismo no puede dar sentido a los resultados.
La mecánica quántica puede ser extraña, pero sigue siendo, curiosamente, la explicación más simple.
La Trampa del Dragón Los objetos quánticos parecen actuar como partículas u ondas, pero nunca ambos al mismo tiempo.
Esta característica de la mecánica quántica parece implicar que los objetos no tienen realidad inherente hasta que son observados.
El fenómeno se ve subrayado por un caso especial del famoso experimento de doble rendija llamado interferómetro Mach-Zehndee.
En el experimento, se dispara un solo fotón en un espejo medio plateado o un divisor de rayo. El fotón se refleja o se transmite con la misma probabilidad, y por lo tanto puede tomar uno de dos caminos.
En este caso, el fotón tomará la ruta 1 o la ruta 2, y luego pasará al detector D1 o D2 con la misma probabilidad. El fotón actúa como un todo indivisible, mostrándonos su naturaleza de partículas. Pero hay un giro.
En el punto donde se cruzan la ruta 1 y la ruta 2, se puede agregar un segundo divisor de rayo, que cambia las cosas. En esta configuración, la mecánica quántica dice que el fotón parece tomar ambos caminos a la vez, como lo haría una onda.
Las dos ondas vuelven a juntarse en el segundo divisor de rayo.
El experimento se puede configurar para que las ondas se combinen de forma constructiva, de pico a pico, de un canal a otro, solo cuando se muevan hacia D1. El camino hacia D2, por el contrario, representa una interferencia destructiva. En tal configuración, el fotón siempre se encontrará en D1 y nunca en D2.
Aquí, el fotón muestra su naturaleza ondulatoria.
Gráfico que ilustra el experimento de elección retardada
El genio de Wheeler preguntó:
Supongamos que el fotón ingresa al interferómetro sin el segundo divisor de rayo en su lugar. Debería actuar como una partícula.
Sin embargo, se puede agregar el segundo divisor de rayos en el último nanosegundo. Tanto la teoría como el experimento muestran que el fotón, que hasta ese momento presumiblemente actuaba como una partícula y habría ido a D1 o D2, ahora actúa como una onda y va solo a D1.
Para
hacerlo, aparentemente tenía que estar en ambos caminos al mismo
tiempo, no en un camino u otro. En la forma clásica de pensar, es
como si el fotón retrocediera en el tiempo y cambiara su carácter de
una partícula a otra.
Su equipo quería explicar los aspectos contra-intuitivos de la mecánica quántica utilizando un nuevo conjunto de ideas llamado modelado causal, que ha crecido en popularidad en la última década, defendido por el científico informático Judea Pearl y otros.
El modelado causal implica establecer relaciones de causa y efecto entre varios elementos de un experimento.
A
menudo cuando se estudian eventos correlacionados, llámelos A y B,
si uno no puede decir concluyentemente que A causa B, o que B causa
A, existe la posibilidad de que un tercer evento C previamente
insospechado u "oculto" cause ambos. En tales casos, el modelo
causal puede ayudar a descubrir a C.
Pensaron que probarían que el experimento de elección retrasada es,
Gabriela Lemos, una físico en el Instituto Internacional de Física, mostró cómo una "variable oculta"
podría estar afectando los resultados del experimento.
La tarea resultó relativamente fácil. Comenzaron por suponer que el fotón, inmediatamente después de haber cruzado el primer divisor de rayo, tiene un estado intrínseco denotado por una "variable oculta".
Una variable oculta, en este contexto, es algo que está ausente de la mecánica quántica estándar, pero que influye en el comportamiento del fotón de alguna manera. El experimentador luego elige agregar o quitar el segundo divisor de rayo.
El
modelado causal, que prohíbe el viaje en el tiempo hacia atrás,
asegura que la elección del experimentador no puede influir en el
estado intrínseco pasado del fotón.
Aquí
había una explicación clásica, causal y realista. Habían encontrado
un nuevo vacío.
El
siguiente paso fue descubrir cómo modificar el experimento de
Wheeler de tal manera que pudiera distinguir entre esta teoría
clásica de variables ocultas y la mecánica quántica.
En
cambio, dos "cambios de fase", uno cerca del comienzo del
experimento, uno hacia el final, cumplen la función de diales
experimentales que el investigador puede ajustar a voluntad.
Por ejemplo, el valor del primer cambio de fase podría ser tal que el fotón actúe como una partícula dentro del interferómetro, pero el segundo cambio de fase podría forzarlo a actuar como una onda.
Los investigadores requieren que el cambio de la segunda fase se establezca después del primero.
Eso hace seis configuraciones experimentales posibles en total. Calcularon lo que esperaban ver para cada una de estas seis configuraciones. Aquí, las predicciones de un modelo de variable oculto clásico y la mecánica quántica estándar difieren. Luego construyeron una fórmula.
La fórmula toma como sus probabilidades de entrada calculadas a partir del número de veces que los fotones aterrizan en detectores particulares (basado en el ajuste de los dos cambios de fase). Si la fórmula es igual a cero, el modelo causal clásico puede explicar las estadísticas.
Pero
si la ecuación escupe un número mayor que cero, entonces, sujeto a
algunas restricciones en la variable oculta, no hay una explicación
clásica para el resultado del experimento.
Simultáneamente, dos equipos en China, uno dirigido por Jian-Wei
Pan, un físico experimental de la Universidad de Ciencia y
Tecnología de China (USTC) en Hefei, China, y otro de Guang-Can
Guo, también en USTC, llevaron a cabo la experimentar.
El grupo de Guo se adhirió a lo básico, utilizando un interferómetro Mach-Zehnder real
Pero los tres mostraron que la fórmula es mayor que cero con una significación estadística irrefutable. Descartaron los modelos causales clásicos del tipo que pueden explicar el experimento de elección retardada de Wheeler.
El vacío ha sido cerrado.
Variables ocultas que permanecen
La fórmula viene con ciertas suposiciones.
El más grande es que la variable oculta clásica utilizada en el modelo causal puede tomar uno de dos valores, codificados en un bit de información. Chaves piensa que esto es razonable, ya que el sistema quántico, el fotón, también solo puede codificar un bit de información.
(Va, o bien en un brazo del interferómetro, o en el otro).
David Kaiser, un físico e historiador en el MIT, quiere eliminar la posibilidad de cualquier correlación experimental invisible empleando un generador de números aleatorios
basado en objetos astrofísicos distantes.
La teoría de De Broglie-Bohm, una alternativa determinista y realista a la mecánica quántica estándar, es perfectamente capaz de explicar el experimento de elección retardada. En esta teoría, las partículas siempre tienen posiciones (que son las variables ocultas) y, por lo tanto, tienen una realidad objetiva, pero están guiadas por una onda.
Entonces la realidad es tanto onda como partícula...
La
onda atraviesa ambos caminos, la partícula a través de uno o del
otro. La presencia o ausencia del segundo divisor de rayo afecta la
onda, que luego guía la partícula hacia los detectores, con
exactamente los mismos resultados que la mecánica quántica
estándar.
Kaiser, incluso mientras elogia los esfuerzos hasta ahora, quiere llevar las cosas más allá.
En los experimentos actuales, la elección de agregar o no el segundo desplazamiento de fase o el segundo divisor de rayo en el clásico experimento de elección retardada estaba siendo realizada por un generador de números aleatorios quánticos.
Pero lo que se prueba en estos experimentos es la mecánica quántica en sí misma, por lo que hay una bocanada de circularidad.
Con este fin, Kaiser y sus colegas han construido tal fuente de aleatoriedad utilizando fotones procedentes de cuásares distantes, algunos de más de la mitad del universo.
Los fotones fueron recolectados con un telescopio de un metro en el Table Mountain Observatory en California.
Si un fotón tiene una longitud de onda inferior a un cierto valor umbral, el generador de números aleatorios escupirá un 0, de lo contrario un 1. En principio, este bit se puede utilizar para elegir aleatoriamente la configuración experimental.
Si los resultados continúan apoyando el argumento original de Wheeler, entonces,
Por ahora, el cuerpo del dragón, que durante unas breves
semanas se había enfocado, ha vuelto a ser humo e indistinto.
|
