¿Pueden realmente las partículas estar en dos lugares a la vez?


Russell Knightley/Biblioteca de fotografías científicas

El siguiente es un extracto de nuestro boletín Misplaced in House-Time. Cada mes, le entregamos el teclado a uno o dos físicos para que le cuenten concepts fascinantes de su rincón del universo. Puedes apuntarte a Perdidos en el espacio-tiempo aquí.

El mundo cuántico es un lugar extraño. Si miras un objeto, cambia. Si sabes lo rápido que se mueve, no puedes saber dónde está. Las mediciones que ocurrieron en el pasado aparentemente pueden borrarse más tarde. Las partículas a veces son ondas y pueden estar en dos lugares a la vez. Los gatos pueden estar vivos y muertos. Estas son cosas que decimos cuando hablamos de el mundo cuánticopero ¿es esto realmente lo que está pasando?

Mecánica cuántica es una teoría increíblemente bien establecida. Ha superado todas las pruebas a las que ha sido sometido. Subyace en gran parte del progreso tecnológico que hemos visto en el siglo pasado, porque ¿qué sería de la electrónica sin niveles de energía discretos, que nos llegaron por cortesía de la mecánica cuántica? Tenemos las matemáticas y sabemos cómo trabajarlas, pero incluso después de un siglo de debate, no sabemos qué significan las matemáticas de la mecánica cuántica.

Tomemos un ejemplo: la thought de que las partículas pueden estar en dos lugares a la vez. Estamos familiarizados con las partículas que están en un lugar a la vez: un electrón, digamos, que golpea una pantalla y deja un punto. Estas partículas hacen acto de presencia en la mecánica cuántica como una posible solución a las ecuaciones, como esperábamos.

Pero la mecánica cuántica es una teoría lineal, lo que significa que si existen partículas en lugares particulares, entonces también existen las sumas de esas partículas. Llamamos a esas sumas «superposiciones”. ¿Y qué es una partícula en un lugar más la misma partícula en otro lugar? No son dos partículas, eso se describiría como un producto, no como una suma. ¿Podrías decir que si tenemos una suma, entonces esa es una partícula que está en ambos lugares? Bueno, se ha dicho muchas veces, por lo que podría decirse que uno puede.

Sin embargo, no sé qué es una superposición, aparte de una parte de las matemáticas que necesitamos para explicar lo que observamos. Necesitamos superposiciones porque dan a las partículas sus propiedades ondulatorias. Cuando vemos ondas que interfieren en el agua, cancelándose donde una cresta se encuentra con un valle, este es un efecto no cuántico, un efecto «clásico» como dicen los físicos. Pero resulta que las partículas individuales pueden interferir consigo mismas. Cuando enviamos una partícula particular person de luz, o fotón, a través de dos rendijas delgadas en una placa: la doble rendija – vemos, como period de esperar, un punto en la pantalla detrás del plato. Pero si continuamos haciendo esto para muchos fotones, vemos un patrón de interferencia construido a partir de puntos individuales (ver imagen a continuación).

La única forma en que podemos explicar este patrón es que cada partícula es una suma, una superposición, de dos caminos, uno que pasa por la rendija izquierda y otro por la derecha. Entonces, ¿por qué no decir simplemente que la partícula va en ambos sentidos?

Hay dos razones por las que no me gusta esta frase. Una es que una superposición de dos caminos no es algo en el espacio. Pertenece a una estructura matemática abstracta llamada al espacio de Hilbert. Simplemente no tiene análogo en el espacio físico. Es por eso que no podemos encontrar buenas palabras para describirlo. No pertenece al mundo que conocemos; es algo completamente diferente.

El otro problema con estas superposiciones es que mientras existen en las matemáticas, no las observamos. Cuando observamos una partícula, o está en un lugar o no lo está. De hecho, si medimos por qué rendija pasó el fotón, el patrón de interferencia se desvanece. ¿Y cuál es el punto de decir que una partícula realmente va en ambos sentidos cuando nunca la vemos hacer eso?

La verdad bastante aburrida es, por lo tanto, que las superposiciones son estructuras matemáticas con ciertas propiedades. No es algo que experimentemos nunca, por lo que todas las analogías y metáforas fallan. El mundo cuántico nos parece “extraño” y “raro” porque tratamos de explicarlo con palabras que se refieren a nuestra experiencia cotidiana. Esta es la razón por la que lees artículos científicos desconcertantes sobre gatos que supuestamente pueden separarse de su sonrisa, o experimentos que supuestamente muestran que la realidad no existe. Estos artículos no tienen más sentido para mí que para ti, es porque en realidad no tienen sentido.

Debo admitir aquí que soy en gran medida un instrumentista. no creo que el matemáticas de nuestras teorías es en sí misma actual; me siento cómodo diciendo que es una herramienta que usamos para describir la naturaleza y lo dejamos así. No tengo nada en contra de las superposiciones que viven en espacios matemáticos abstractos, siempre que sean herramientas que proporcionen predicciones correctas, lo cual es cierto.

Pero también soy un escritor científico y reconozco el problema: agrupar definiciones matemáticas en el lector desprevenido no es una forma prometedora de construir una audiencia. Incluso si estuviéramos dispuestos a perder lectores, no ayudaría a nuestro objetivo de explicar lo que sucede en las matemáticas. Y así renunciamos a descripciones precisas como superposiciones o espacios de Hilbert por gatos sin sonrisa que hacen titulares y otras tonterías. No hay una manera fácil de salir de este enigma. Admito que yo mismo he usado, y probablemente seguiré usando, la expresión “en dos lugares a la vez”. Porque al menos mi público lo conoce, lo cual vale algo.

Sin embargo, de vez en cuando, creo que deberíamos mencionar las expresiones matemáticas, para que a la larga nuestros lectores se acostumbren a ellas. Ha ocurrido antes: nos hemos acostumbrado a hablar de campos eléctricos y magnéticos, incluso de radiación electromagnética. Estas también son entidades matemáticas abstractas fuera de nuestra experiencia directa. Pero electromagnetismo se ha convertido en una parte tan elemental de nuestra educación que hablamos de ella cómodamente.

Hay otra razón por la que no deberíamos pretender que es un misterio que las estructuras matemáticas no tienen una buena explicación verbal, y es que distrae de los problemas actuales que tiene la mecánica cuántica. Es posible que me hayas calificado como una persona que se calla y calcula, como lo expresó el físico David Mermin. Y tendrías razón. Pero esto es exactamente por lo que tengo un problema con la mecánica cuántica. La mecánica cuántica nos cube qué sucede en el acto de una medición, pero no explica qué es una medición. No podemos calcularlo. Y, sin embargo, sabemos que la medición es lo que hace desaparecer los efectos cuánticos.

Erwin Schrödinger ilustró que no entendemos cómo desaparecen los efectos cuánticos con su famoso experimento psychological del gato. Schrödinger sugirió que un átomo que está descompuesto y no descompuesto podría usarse para desencadenar la liberación de una toxina que luego mata a un gato y no. Este argumento muestra que sin el acto de una medición, las superposiciones pueden amplificarse a un tamaño macroscópico. Pero no vemos gatos vivos y muertos, entonces, ¿qué pasa?

La respuesta estándar a este enigma es que el gato se mide constantemente. No por nosotros, sino por moléculas de aire e incluso por radiación en el fondo cósmico de microondas. Estas medidas, según cuenta la historia, hacen que los efectos cuánticos desaparezcan muy rápidamente. Pero esto es realmente solo una historia que no nace en las matemáticas. Para una persona que se calla y calcula como yo, es un verdadero problema.

En mi opinión, por lo tanto, la proliferación de cortejos cuánticos en los medios distrae la atención del problema actual en el corazón de la mecánica cuántica: que no sabemos qué es una medida. La mecánica cuántica es extraña., sí. Pero no pretendamos que sea más extraño de lo que es.

Sabine Hossenfelder, se especializa en probar nuestra comprensión de los fundamentos mismos de la física. Es anfitriona del standard canal de YouTube. Ciencia sin galimatías y su último libro, Física existencial: una guía científica para las preguntas más importantes de la vida, estará disponible en Reino Unido, Estados Unidos y Canadá en agosto. Su carta Misplaced in House-Time adopta un principio central de la física cuántica: ¿pueden las partículas estar realmente en dos lugares a la vez?

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