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Mundo clásico a partir del cuántico

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Mundo clásico a partir del cuántico

Área: Física — Jueves, 29 de Noviembre de 2007
Según dos físicos austriacos podríamos percibir los efectos cuánticos en el mundo macroscópico si fuéramos capaces de aumentar nuestra precisión en las medidas.
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Foto: Wikimedia commons.
Las partículas que constituyen todo lo que vemos obedecen a las leyes de la mecánica cuántica. Según estas leyes tienen comportamientos contraintuitivos y raros a nuestros ojos. Así podemos comprobar que una partícula puede atravesar una barrera de energía aunque la partícula tenga menos energía que dicha barrera, o que la observación de una partícula puede colapsar instantáneamente el estado de otra situada a distancia. Todos estos efectos, y otros más extraños que nos recuerdan a un mundo como el de “Alicia en el país de las maravillas”, se pueden medir para partículas en el laboratorio sin ambigüedad. Pero en el mundo macroscópico cotidiano no vemos este tipo de efectos. Es como si tuviéramos dos explicaciones para el mundo, una cuántica para el mundo microscópico y otra clásica para macroscópico, es decir, como si cada “mundo” tuviera sus propias leyes físicas. Esto constituye una gran paradoja. La explicación que dan los libros de texto a esta aparente contradicción es que la Mecánica Cuántica se aplica a escalas muy pequeñas y sus efectos extraños se suavizan hasta desaparecer completamente por algún mecanismo en las escalas cotidianas que nosotros percibimos. 
Según dos físicos austriacos esto no es necesariamente así. Sostienen que podríamos percibir los efectos cuánticos del mundo macroscópico si fuéramos capaces de aumentar nuestra precisión en las medidas.
Johannes Kofler y Caslav Brukner de la Universidad de Viena del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica dicen que la emergencia de las leyes clásicas a partir de las leyes cuánticas no sucede según los objetos se hacen grandes, sino por la manera en la que medimos los objetos. Según ellos si pudiéramos hacer mediciones con una precisión arbitrariamente grande de los objetos macroscópicos en realidad no habría un mundo clásico.
Según las leyes cuánticas una partícula puede existir en una superposición de estados hasta que es observada y entonces colapsa a uno de ellos. Esto constituye el postulado del colapso de la función de ondas y un gran quebradero de cabeza para varias generaciones de físicos. Si aplicamos esto mismo a un hipotético gato tendríamos la famosa paradoja del gato de Schrödinger, en la que llegaríamos al absurdo de no saber si un gato dentro de una caja está vivo o muerto debido a una desintegración nuclear (fenómeno cuántico probabilístico) hasta que no abriésemos la caja, estando en una superposición de estados “vivo-muerto” hasta entonces.
Para resolver esta paradoja se recurre a un proceso denominado decoherencia, que consiste en la destrucción de la superposición cuántica según las partículas interaccionan con el entorno. A más partículas en el sistema más difícil es evitar la decoherencia por haber mayor interacción con el entorno. El sistema del gato de Schrödinger y su entorno es un conjunto de partículas demasiado grande como para mantener la coherencia cuántica de todas ellas y no hay superposición, por lo tanto siempre está en el estado realista en el que no hay ambigüedad: o vivo o muerto, pero no los dos a la vez. Recordemos en este punto que este efecto limitaría seriamente la eficacia de un futuro e hipotético computador cuántico.
Según estos autores aunque la decoherencia se da en la práctica no tiene por qué ser así en principio.
El destino del gato de Schrödinger es un ejemplo de lo que en 1985 Anthony Leggett y Anupam Garg llamaron macrorrealismo. En un mundo macrorrealista los objetos están siempre en un estado simple y podemos hacer mediciones sobre ellos sin alterar ese estado. Nuestro mundo cotidiano parece obedecer estas leyes. Según la visión macrorrealista los gatos de Schrödinger simplemente no están permitidos.
Pero Kofler and Brukner han conseguido probar teóricamente que un estado cuántico puede ser tan grande como se quiera sin necesitad de caer en el macrorrealismo.
Para ello han considerado un sistema magnético similar a lo que sería una brújula sometida a un campo magnético. En el mundo clásico la aguja rotaría con movimientos suaves y sería describible mediante la física clásica. En el mundo cuántico la aguja podría estar en una superposición de orientaciones diferentes y colapsaría a una de ellas en el momento en que tratáramos de medirla.
Entonces, ¿por qué no vemos colapsos cuánticos de este tipo? Los investigadores muestran que eso depende de la precisión de la medida. Si las medidas son un poco borrosas por imprecisas, y por tanto no podemos distinguir un estado cuántico de otros similares, entonces esto suaviza las “rarezas cuánticas” hasta hacerlas desaparecer en la concepción clásica.
Estos autores muestran que una vez se introduce cierto grado de borrosidad en la medida de las variables observadas las ecuaciones describen el comportamiento del objeto como clásico. Y esto pasa independientemente de si hay decoherencia causada por la interacción con el ambiente.
Kofler dice que deberíamos de ser capaces de ver esta transición entre el comportamiento cuántico y clásico. Así el comportamiento clásico estaría puntuado por saltos ocasionales, de este modo la aguja rotaría suavemente pero algunas veces experimentaría saltos instantáneos.
Sin embargo, para poder observar estos saltos se requeriría que fuésemos capaces de medir con gran precisión un número grande de estados cuánticos con lo que la observación no sería posible. Así para un “gato de Schrödinger” de por ejemplo 1020 partículas necesitaríamos poder decir la diferencia entre miles de estados, que serían demasiados para que esto fuera posible. Y un objeto cotidiano (o un gato real) tiene del orden de unos 1024 partículas.
Pero nuestros equipos de laboratorio deberían de ser ya capaces de medir esto mismo para “gatos” más pequeños con un número pequeño de partículas. Quizás futuros experimentos nos aclaren este punto.
Fuentes y referencias:
Noticia en Nature.
Copia del artículo original en arXiv (abierto).
Artículo original en PRL (resumen).
Leggett, A. J. & Garg, A. Phys. Rev. Lett. 54, 857-860 (1985).

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Thalia