Científicos ponen a prueba una de las mayores paradojas de la Física Cuántica
Un experimento realizado bajo 1,4 km de rocas ha demostrado que la gravedad no explica por qué algunos sistema cuánticos pierden su propiedad de la superposición, por el que están en varios estados al mismo tiempo.
El hecho de que usted no pueda estar en misa y repicando no quiere decir que una partícula no pueda estar en dos lugares al mismo tiempo. Así ocurre, por ejemplo, con los electrones que forman los enlaces de las moléculas, y que están deslocalizados entre dos átomos, como si estuvieran indecisos. Y así puede ocurrir con los sistemas cuánticos.
Quizás lo más curioso es que las partículas que están en dos lugares a la vez, o en estado de superposición, pierden su condición cuando tomamos una medida sobre su estado, a través de su interacción con el instrumento que usamos. Cuando eso ocurre, las hacemos «colapsar» y definir su situación, obteniendo un resultado que será totalmente aleatorio: después de
hacer muchas medidas, más o menos la mitad de las veces estarán en misa y la mitad de las veces repicando. Lo mismo ocurre con algunas partículas que por sí solas pierden su indeciso comportamiento y colapsan, sin que se sepa por qué. Y esta semana, tal como ha informado «Sciencemag.org», un experimento podría haber echado por tierra la que era una de las posibles explicaciones al origen de esta paradoja: la gravedad.
Se trata de una hipótesis propuesta hace décadas por los físicos húngaros Károlyházy Frigyes y Lajos Diósi, y apoyada después por el famoso físico de la Universidad de Oxford, Roger Penrose. Estos investigadores proponen, y apuntalan con modelos matemáticos, que el campo gravitacional que influye sobre una partícula superpuesta, que está en dos lugares a la vez, también «trata» de estar aquí y allá, pero que no lo consigue, y acaba provocando el colapso de la partícula.
Lo mejor de esta idea es que, de ser así, en teoría sería posible detectarlo, porque se liberarían unos fotones de cierta longitud de onda.
¿Está la gravedad detrás del misterioso colapso?
Hasta ahora, había sido imposible hacer este experimento. Pero la tecnología ha cambiado esta situación. Un equipo dirigido por el mismo Diósi ha comprobado la hipótesis de que la gravedad provoca el colapso de un sistema cuántico. Su resultado ha sigo negativo: la gravedad no es la responsable. Sus conclusiones se han publicado en «Nature Physics».
«Algunos científicos tratan de encontrar una explicación física a por qué los sistemas cuánticos colapsan en un estado de forma aleatoria, en lugar de mantener las superposiciones cuánticas», ha explicado Juan José García Ripoll, investigador en el Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), en Madrid. «Éste es un experimento relativamente sencillo que evalúa una de esas opciones: que sería la gravedad la que destruiría las superposiciones cuánticas. Con su evaluación, demuestra que este modelo no es consistente con las observaciones de laboratorio». Es decir, que la gravedad no es la explicación.
Por qué no veremos al gato de Schrödinger
Los grandes objetos, como las canicas, los gatos o los portaaviones, tienen un tamaño y una masa que suprimern los efectos cuánticos, como estar aquí y allá a la vez (la superposición) o el entrelazamiento. Por eso, un gato no puede estar a la vez vivo y muerto en la realidad, por mucho que Erwin Schrödinger inmortalizara esta imagen con su famoso gato metido en una caja para explicar el comportamiento de una partícula que sí estaba superpuesta, en dos estados a la vez.
«La incertidumbre en la posición de una partícula cuántica es inversamente proporcional a su masa, por lo que en partículas como un electrón podemos ver experimentalmente esas superposiciones», ha explicado García Ripoll. «Cuando consideramos grandes agregados de partículas, esas incertidumbres se cancelan unas a otras y disminuyen como el inverso de la masa, por lo que las posiciones de objetos macroscópicos están muy bien definidas y no dan lugar a superposiciones o incertidumbres cuánticas».
El gato de Schrödinger es un experimento imaginario para tratar de explicar un concepto de la Física Cuántica: la superposición de estados. Pero los gatos reales, por ser sistemas macroscópicos muy complejos, no pueden estar en superposición
Además, incluso para un sistema cuántico no muy grande hay un riesgo de perder una propiedad como la superposición: cualquier interacción con el exterior, como el «roce» de un fotón de cualquier forma de radiación, acabaría con ella. Uno de estos «roces» puede ser parte del método a través del cual un investigador trata de medir su estado, y esto es lo que explica que la superposición se mantiene hasta que medimos su estado (no hay ninguna causa esotérica, más allá de eso).
Para entender cuán frágiles son algunas de las propiedades del mundo cuántico puede servir entender que, para que un objeto esté en una situación de superposición, ha de estar a una temperatura próxima al cero absoluto, levitando, aislado de radiaciones y muy preparado para que dentro de sí ningún fenómeno acabe con la superposición.
Al margen de lo macroscópico (y recordando que muchos investigadores buscan crear sistemas cada vez más grandes sometidos a estas extrañas reglas cuánticas), como hemos comentado, los sistemas más pequeños también pierden su propiedad de la superposición y colapsan en ciertos estados, sin que se sepa por qué.
En esta ocasión el equipo de Lajos Diósi ha demostrado que la gravedad no puede ser la causa. Es decir, el campo gravitacional, cuyo comportamiento a pequeña escala es desconocido, no puede ser el factor que le da el «empujón» a las partículas para abandonar la superposición.
Un experimento bajo 1,4 km de rocas
«Estos investigadores han hecho predicciones sobre cómo la gravedad induciría la aleatoriedad sobre los núcleos de decenas de miles de átomos, en breves intervalos de tiempo», ha explicado García Ripoll. «Sus resultados invalidan que la gravedad sea la posible explicación».
¿Cómo lo han hecho? El equipo de Lajos Diósi construyó un detector de cristal de germanio del tamaño de una taza de café, preparado para captar un exceso de fotones provenientes de emisiones de rayos X y gamma. Después, envolvieron este detector en plomo y lo enterraron a 1,4 kilómetros de la superficie, en las galerías del Laboratorio Nacional del Gran Sasso, en los Apeninos (Italia), a salvo de la radiación del espacio. Después de dos meses de observaciones, en 2014 y 2015, detectaron el «salto» de 576 fotones, 70 más que habrían ocurrido a causa de la radiactividad natural, según las predicciones.
El enigma sigue sin resolver
El problema es que el modelo de Penrose, según el que la gravedad explicaría que el sistema perdiera su superposición, predecía la existencia de 70.000 de esos fotones, en ese tiempo y para ese material y esas condiciones.
Según «Siencemag.org», Roger Penrose ha valorado el artículo de Lajos Diósi positivamente, pero ha comentado que ha estado trabajando durante el confinamiento por la COVID-19 en un modelo diferente, en el que la gravedad sería la responsable del colapso, pero en la que no dejaría huellas de fotones. En este sentido ha coincidido Maaneli Derakhshani, investigador de la Universidad de Rutgers, Estados Unidos: si la gravedad es la que causa el colapso, el mecanismo tiene que ser más complicado que el propuesto por Penrose originalmente.
Por último, puede que haya otra explicación y que sea la propia evolución del sistema cuántico la que provoque ese colapso: «Sin embargo, no existe ningún modelo físico completo para explicarlo y que se pueda testar en el laboratorio», ha comentado Juan José García Ripoll. Es decir, por ahora, los científicos no tienen ni idea de qué puede estar pasando ni de cómo pueden averiguarlo. El mundo cuántico sigue escondiendo el secreto de una de sus mayores paradojas.
