Esta idea de que la naturaleza es intrínsecamente probabilística, es decir, que las partículas no tienen propiedades sólidas, sólo probabilidades, hasta que se observan, viene directamente implícitas en las ecuaciones estándar de la mecánica cuántica. Pero ahora, una serie de sorprendentes experimentos con fluidos ha reavivado el viejo escepticismo sobre esa visión del mundo. Estos extraños resultados están alimentando el interés por una versión casi olvidada de la mecánica cuántica y que nunca renunció a la idea de una sola y concreta realidad.
© DesconocidoSe ha encontrado que una gota que rebota en la superficie de un líquido exhibe muchas propiedades similares a la cuántica, incluyendo la interferencia de doble rendija, tunelación y cuantización de la energía. John Bush
Los experimentos implican a una gota de aceite que rebota a lo largo de la superficie de un líquido. La gota chapotea suavemente en el líquido con cada rebote. Al mismo tiempo, las ondas de los últimos rebotes afectan su curso. La interacción de la gota con sus propias ondas, las cuales forman lo que se conocen como ondas piloto, hace que se exhiban conductas que anteriormente se consideraban propias de las partículas elementales, incluyendo comportamientos vistos como evidentes de que estas partículas se propagan a través del espacio como ondas, sin ningún lugar específico, hasta que se miden.
A escala cuántica, las partículas parecen hacer cosas que los objetos a escala humana no hacen. Pueden pasar a través de barreras, de forma espontánea surgen o se aniquilan, y ocupan distintos niveles de energía. Este nuevo cuerpo de investigación revela que, las gotas de aceite, cuando son guiadas por las ondas piloto, también exhiben estas características similares a las cuánticas.
Para algunos investigadores, los experimentos sugieren que los objetos cuánticos son tan definidos como las gotas, y que también se guían por las ondas piloto, en este caso, ondulaciones semejantes a fluidos en el espacio y tiempo. Estos argumentos han inyectado nueva vida a la teoría determinista (en oposición a probabilista) del mundo microscópico, que fue la primera propuesta, y tras ser rechazada, dio lugar al nacimiento de la mecánica cuántica.
"Se trata del sistema clásico que muestra ese comportamiento, y que antes la gente pensaba que era exclusivo del reino cuántico, y podemos decir por qué", dijo John Bush, profesor de matemáticas aplicadas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que ha llevado a cabo varios experimentos recientes con el rebote de gotas. "Cuantas más cosas entendemos y podemos ofrecer una justificación física racional, más difícil será defender la 'perspectiva mágica' de la mecánica cuántica."
Medidas mágicas
La visión ortodoxa de la mecánica cuántica, conocida como la "interpretación de Copenhague", después de que el físico danés Niels Bohr, uno de sus arquitectos, sostuviera que las partículas representaran todas las realidades posibles al mismo tiempo. Cada partícula está representada por una "onda de probabilidad" ponderando estas diversas posibilidades, y la onda colapsa a un estado definido sólo cuando la partícula es medida. Las ecuaciones de la mecánica cuántica no abordan el cómo las propiedades de una partícula se solidifican en el momento de la medición, o cómo, en tales momentos, la realidad se forma. Pero los cálculos funcionan. Como dijo Seth Lloyd, un físico cuántico del MIT, "La mecánica cuántica es todo lo contrario a la intuición y no hay otra que aguantarse."
© WikipediaDos ranuras están iluminadas por una onda plana.
Algunos físicos ahora no están de acuerdo. "La mecánica cuántica es un gran éxito; nadie está diciendo que esté mal", dijo Paul Milewski, profesor de matemáticas de la Universidad de Bath, en Inglaterra, que ha ideado modelos computacionales sobre la dinámica del rebote de gotas. "Lo que creemos es que, de hecho, puede haber una razón más fundamental para que la mecánica cuántica haga lo que parece que hace."
Montando en las ondas
La idea de que las ondas piloto podrían explicar las peculiaridades de las partículas se remonta a los primeros días de la mecánica cuántica. El físico francés, Louis de Broglie, presentó la primera versión de la teoría de las ondas piloto en 1927 en la Conferencia de Solvay en Bruselas, una conocida reunión de los fundadores de este campo. Como Broglie explicó ese día a Bohr, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y dos docenas más de otros celebérrimos físicos, la teoría de la onda piloto realizó las mismas predicciones que la formulación probabilística de la mecánica cuántica (la cual no fue referenciada como la interpretación de "Copenhague" hasta la década de 1950), pero sin el colapso misteriosol o fantasmal.
La versión probabilística, defendida por Bohr, implica una sola ecuación que representa localizaciones probables e improbables de las partículas como los picos y valles de una onda. Bohr interpretó esta ecuación de la onda de probabilidad como la definición completa de una partícula. Pero Broglie instó a sus colegas a usar dos ecuaciones, una que describe una onda real, física, y la otra que ate la trayectoria de una partícula real y concreta con las variables de la ecuación de onda, tal como si la partícula interactuante fuera impulsada por la onda en lugar de estar definida por ella misma.
Por ejemplo, consideremos el experimento de la doble rendija. En la imagen de onda piloto de Broglie, cada electrón pasa a través de una sola de las dos rendijas, pero está influenciada por una onda piloto que se divide y viaja a través de las dos rendijas. Al igual que los restos flotantes de una corriente, la partícula es conducida hacia los sitios donde los dos frentes de onda cooperan, y no a donde se cancelan.
Broglie no podía predecir el lugar exacto donde una partícula individual terminaría, igual que la versión de Bohr de estos eventos, la teoría de la onda piloto sólo predice la distribución estadística de los resultados, o sea, los patrones de rayas claras y oscuras, pero los dos hombres interpretaron este defecto de forma diferente . Bohr afirmó que las partículas no tienen trayectorias definidas y Broglie argumentó que sí la tienen, pero que no podemos medir la posición inicial de cada partícula suficientemente bien como para deducir su trayectoria exacta.
En principio, sin embargo, la teoría de la onda piloto es determinista: El futuro evoluciona dinámicamente a partir del pasado, por lo que, si se conociera el estado exacto de todas las partículas del universo en un momento dado, podría calcularse sus estados en cualquier momento del futuro.
© WikipediaEn la quinta Conferencia Solvay de 1927 se reunieron los fundadores de la mecánica cuántica, Louis de Broglie (fila del medio, tercero por la derecha) sostenía una formulación determinista de la mecánica cuántica llamada teoría de la onda piloto. Pero la versión probabilísta de la teoría, defendida por Niels Bohr (fila del medio, a la derecha) ganó ese día.
Más de 30 años pasarían antes de que la prueba de von Neumann demostrara ser falsa, pero para entonces el daño ya estaba hecho. El físico David Bohm resucitó la teoría de la onda piloto en una forma modificada en 1952, con el apoyo de Einstein, y dejó claro que funcionaba, pero que nunca se hizo popular. (La teoría también se conoce como la teoría de Broglie-Bohm, o la mecánica de Bohm.)
Más tarde, el físico norirlandés, John Stewart de Bell, llegó a demostrar un teorema fundamental que muchos físicos de hoy malinterpretan como representaciones de imposibles variables ocultas. Pero Bell apoyó la teoría de la onda piloto. Él fue quien señaló los fallos de la prueba original de von Neumann. Y en 1986, escribió que la teoría de la onda piloto "me parece tan natural y simple, para resolver el dilema de onda-partícula de una forma tan clara y común, que es un gran misterio para mí que sea tan generalmente ignorada."
El abandono continúa. Un siglo más adelante, la formulación probabilísta estándar de la mecánica cuántica se ha combinado con la teoría de la relatividad especial de Einstein y se ha desarrollado en el Modelo Estándar, una descripción precisa y detallada de la mayoría de las partículas y fuerzas del universo. Aclimatarse a la rareza de la mecánica cuántica se ha convertido en rito de iniciación de los físicos. La anterior alternativa determinista no se menciona en la mayoría de los libros de texto; la mayoría de la gente de este campo no han oído hablar de ella. Sheldon Goldstein, profesor de matemáticas, física y filosofía en la Universidad de Rutgers, y partidario de la teoría de la onda piloto, culpa de esa "ridícula" negligencia de la teoría a "décadas de adoctrinamiento". En esta etapa, Goldstein y otros varios señalaron que, los investigadores arriesgan sus carreras al cuestionar la ortodoxia cuántica.
Una gota cuántica
© Desconocido
Los experimentos comenzaron hace una década, cuando Yves Couder y sus colegas, de la Universidad Paris Diderot, descubrieron que haciendo vibrar un baño de aceite de silicona arriba y abajo, en una frecuencia particular, se podía inducir a una gota para que rebotara a lo largo de la superficie. La trayectoria de la gota, descubrieron, se guiaba por los contornos inclinados de la superficie generada del líquido de los propios rebotes de la gota, una mutua interacción onda-partícula análoga al concepto de onda piloto de Broglie.
En un experimento pionero, los investigadores de París usaron esta disposición de la gota para demostrar la interferencia de simple y doble rendija. Descubrieron que cuando una gota rebota hacia un par de aberturas en una barrera como de una presa, pasa solamente a través de una u otra ranura, mientras que la onda piloto pasa a través de ambas. Los repetidos ensayos muestran que los frentes de onda superpuestos de la onda piloto dirigen las gotas a ciertos lugares y nunca a las localizaciones del medio - una aparente replicación del patrón de interferencia del experimento de la doble rendija cuántica que Feynman describió como imposible - . Y tal como se midieron las trayectorias de las partículas parecen "derrumbar" sus realidades simultáneas, perturbando la onda piloto del experimento del rebote de gotas se destruye el patrón de interferencia.
Las gotas pueden también parecer un "túnel" a través de barreras, orbitando entre sí en "estados enlazados" estables, y exhiben propiedades análogas al espín cuántico y la atracción electromagnética. Cuando éstas confinadas a unas áreas circulares, llamadas corrales, forman anillos concéntricos análogos a las ondas estacionarias generadas por los electrones en corrales cuánticos. Incluso se aniquilan con las burbujas del subsuelo, un efecto que recuerda a la mutua destrucción de partículas de materia y antimateria.
Vídeo -- The pilot-wave dynamics of walking droplets. (Daniel Harris y John Bush)
En cada prueba, la gota se encaminaba hacia una trayectora caótica que, con el tiempo, acumulaba la misma distribución estadística en el sistema de fluidos como la que se espera de las partículas en la escala cuántica. Pero, en lugar de dar como resultado la indefinición o la falta de realidad, estos efectos cuánticos como se conducen, según los investigadores, por una "memoria de trayectoria". Cada rebote de la gota deja una marca en forma de ondas, y éstas, de forma caótica pero determinista, influyen en los futuros rebotes de la gota, conduciendo a resultados estadísticos similares a los cuánticos. Cuanta más memoria de trayectoria exhiba un fluido, es decir, cuantas menos de sus ondas se disipan, más nítidas y parecidas a la cuántica se vuelven las estadísticas. "La memoria genera caos, y nosotros necesitamos conseguir las probabilidades correctas", explicó Couder. "Vemos claramente la memoria de trayectoria en nuestro sistema. Esto no significa necesariamente que exista en los objetos cuánticos, sólo sugiere que sería posible."
Las estadísticas cuánticas son evidentes incluso cuando las gotas son sometidas a fuerzas externas. En una prueba reciente, Couder y sus colegas colocaban un imán en el centro de su baño de aceite y observaron una gota de ferrofluido magnético. Al igual que un electrón, que ocupa unos niveles de energía fijos alrededor de un núcleo, los rebotes de la gota adoptaron una órbita concreta estable alrededor del imán, cada uno caracterizado por un determinado nivel de energía y su momento angular. La "cuantificación" de estas propiedades, en paquetes separados se suele entender como un rasgo definitorio del dominio cuántico.
Si el espacio y el tiempo se comportan como un superfluido, o un fluido que no experimenta la disipación en absoluto, entonces la memoria de trayectoria, posiblemente, podría dar lugar al extraño fenómeno cuántico de entrelazamiento - lo que Einstein denominó "la acción fantasmal a distancia" - . Cuando dos partículas se entrelazan, la medición del estado de una afecta al instante a la otra. El entrelazamiento se mantiene incluso si las dos partículas están a años luz de distancia.
En la mecánica cuántica estándar, el efecto se racionaliza con el colapso instantáneo del conjunto de ondas de probabilidad de las partículas. Pero en la versión de eventos de las ondas piloto, una interacción entre dos partículas de un universo superfluido las coloca sobre unas trayectorias que se quedan para siempre correlacionadas, porque la interacción afecta de manera permanente a los contornos del superfluido. "A medida que las partículas se mueven a través, sienten el campo de onda generado por ellas y por todas las demás partículas en el pasado", explicó Bush. En otras palabras, la ubicuidad de la onda piloto "proporciona un mecanismo que está considerando estas correlaciones no locales". Sin embargo, la prueba experimental de entrelazamiento de la gota sigue siendo un objetivo lejano.
Realidades subatómicas
Muchos de los expertos en dinámica de fluidos, involucrados o familiarizados con las nuevas investigaciones, han llegado a la convicción de que hay una explicación líquida clásica de la mecánica cuántica. "Creo que todo ello es demasiado para ser una coincidencia", dijo Bush, que dirigió en junio un taller sobre el tema, en Río de Janeiro, y está escribiendo un estudio de revisión sobre los experimentos para la Annual Review of Fluid.
© Harris et al., PRL (2013)Como una gota se mueve en una trayectoria caótica alrededor de la superficie del líquido, acumulando gradualmente estadísticas similares a las cuánticas.
Muchos físicos cuánticos cuestionan el valor de la reconstrucción del exitoso Modelo Estándar a partir de cero. "Creo que los experimentos son muy inteligentes y que expande la visión", señalaba Frank Wilczek, profesor de física del MIT y laureado Nobel, "aunque te llevan a pocos pasos de lo que ha de ser un camino muy largo, que va desde una hipotética teoría subyacente clásica hasta la utilización con éxito de la mecánica cuántica como la conocemos."
"Esto es realmente una manifestación visible y muy llamativa del fenómeno de las ondas piloto", apuntó Lloyd. "Es alucinante, pero no va a sustituir a la mecánica cuántica a corto plazo."
En su actual estado, aún inmaduro, la formulación de la onda piloto de la mecánica cuántica sólo describe simples interacciones entre la materia y los campos electromagnéticos, según David Wallace, un filósofo de la física en la Universidad de Oxford, Inglaterra, y no puede tan siguiera capturar la física de una bombilla ordinaria. "Por sí misma no es capaz de representar mucho a la física", añadió. "En mi opinión, este es el más grave problema de esta teoría, aun así, y para ser justos, continúa siendo un área de investigación activa."
La teoría de la onda piloto tiene la reputación de ser más engorrosa que la mecánica cuántica estándar. Algunos investigadores han dicho que la teoría tiene problemas para lidiar con partículas idénticas, y que resulta difícil de manejar cuando se describen las interacciones multipartículas. También afirmaron que se combina menos elegantemente con la relatividad especial. No obstante, otros especialistas en mecánica cuántica no estaban de acuerdo con estas declaraciones o dicen que el enfoque está, simplemente, muy poco investigado. Puede que sólo sea una cuestión de esfuerzo el refundir las predicciones de la mecánica cuántica al lenguaje de la onda piloto, comentaba Anthony Leggett, profesor de física en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, y también premio Nobel. "Que uno piense que es digno de una gran cantidad de tiempo y esfuerzo es una cuestión de gusto personal", agregó, "personalmente, no lo creo."
Por otro lado, como Bohm argumentaba en su estudio de 1952, una formulación alternativa de la mecánica cuántica podría hacer las mismas predicciones que la versión estándar a escala cuántica, pero difiere en lo que respecta a las escalas más pequeñas de la naturaleza. En la búsqueda de una teoría unificada de la física en todas las escalas, "fácilmente podríamos mantenernos en el camino equivocado durante mucho tiempo por ceñirnos tan sólo a una habitual interpretación de la teoría cuántica", escribió Bohm.
Algunos entusiastas creen que el enfoque de fluido podría de hecho ser la clave para resolver el conflicto de hace tiempo entre la mecánica cuántica y la teoría einsteiniana de la gravedad, que chocan en las escalas infinitesimales.
"Existe la posibilidad de poder buscar una teoría unificada del Modelo Estándar y la gravedad en términos de un subyacente sustrato superfluido de la realidad", reseñó Ross Anderson, un científico informático y matemático de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, y coautor de un reciente artículo sobre la analogía fluido y cuántica. En el futuro, Anderson y sus colaboradores planean estudiar el comportamiento de los "rotones" (excitaciones similares a las partículas) en el helio superfluido, como el análogo más cercano posible de este "modelo superfluido de la realidad."
Pero en la actualidad, estas conexiones con la gravedad cuántica son todavía especulativas, y para los jóvenes investigadores, ideas arriesgadas. Bush, Couder y los demás estudiosos de la dinámica de fluidos, esperan que el número creciente de sus demostraciones de los fenómenos cuánticos crearán una imagen determinista y fluida de la mecánica cuántica cada vez más convincente.
"Para los físicos es algo muy controvertido, y la gente es muy evasiva en esta etapa", añadió Bush. "Estamos avanzando, y el tiempo lo dirá. La verdad, al final, saldrá triunfante."
Artículo Original: "Have We Been Interpreting Quantum Mechanics Wrong This Whole Time?"
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