Nueva paradoja cuántica: un fotón es capaz de atravesar un aparato sin entrar ni salir de él

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Un experimento físico de resultados casi increíbles descubre una nueva paradoja cuántica y rescata una vieja interpretación de la mecánica de partículas poco utilizada por los científicos.

Una variación del experimento de la doble rendija, creado hace más de 200 años por el británico Thomas Young para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz, ha servido a un equipo de investigadores de la Universidad de Tel Aviv (Israel) para desvelar un comportamiento de los fotones que resulta insólito incluso desde los estándares de la mecánica cuántica.

Los científicos han probado que un fotón es capaz de pasar por un lugar sin haber entrado en él ni salir jamás, lo que puede explicarse desde la doctrina clásica de la mecánica cuántica, pero que a juicio de los investigadores se entiende mucho mejor desde una interpretación en la que el presente de una partícula es consecuencia de la combinación de sus estados cuánticos pasados y futuros.

El experimento de Young consistió en hacer pasar la luz a través de dos pequeñas ranuras paralelas. En esta situación la onda luminosa se difracta en dos, que después vuelven a recombinarse para proyectar en una pantalla un patrón de bandas oscuras y claras, según los picos de ambas ondas se sumen o se contrarresten. La idea de Young, que en su momento sirvió para demostrar que la luz se comporta como una onda, se aplica hoy en aparatos llamados interferómetros.

Estos dispositivos ponen de manifiesto una conocida propiedad cuántica, el doble comportamiento de la luz como onda y como partícula. Dado que esta última no puede dividirse, un solo fotón aislado debe pasar a través de uno de los dos brazos del aparato.

Pero si intentamos saber cuál, obligamos a la luz a comportarse como una partícula, lo que hace colapsar la función de onda, destruyendo la interferencia y por tanto el patrón de bandas. Esta es una aplicación del Principio de Incertidumbre de Heisenberg: el observador modifica el sistema por el mero hecho de observarlo.

Los interferómetros actuales emplean otros métodos distintos a la doble rendija para difractar la onda luminosa.

El interferómetro de Mach-Zehnder divide el haz de luz en dos perpendiculares empleando un semiespejo, una superficie cubierta con una fina capa de aluminio que refleja la mitad de la luz y deja pasar el resto. Este dispositivo se utiliza para determinar los cambios de fase, es decir, el desplazamiento de los picos de la onda cuando por ejemplo la luz atraviesa una muestra, ya que la intensidad medida por el detector depende de las fases en que se encuentran las ondas recombinadas.

El equipo de científicos, dirigido por el físico de origen ruso Lev Vaidman, construyó un sistema compuesto por dos interferómetros Mach-Zehnder anidados uno dentro de otro, de manera que una de las ondas resultantes de la primera división es a su vez difractada en dos.

Así, un fotón tiene tres posibles caminos para llegar hasta el detector. El objetivo es determinar qué trayecto recorre al menos alguno de los fotones que llegan al detector, sin perturbar el sistema. Esta idea, denominada medición débil, es coherente con el Principio de Incertidumbre porque no se mide el camino de ningún fotón específico.

Con el fin de conocer la trayectoria seguida por los fotones, los científicos establecieron un sistema para dejar en ellos una especie de firma que revelaba qué espejos del aparato tocaba la partícula.

Para ello, se hizo vibrar cada uno de los espejos a una frecuencia diferente, lo que permitió reconstruir el camino del fotón según la modificación inducida por cada espejo en la fase de las ondas.

Por último, los investigadores ajustaron el interferómetro interior de manera que las dos ondas producidas en él se anularan al recombinarse, lo que ocurre cuando los picos de una se corresponden con valles iguales en la otra y viceversa. Esta interferencia destructiva no dejaría escapar la luz del aparato interno, por lo que al detector solo debía llegar la luz que discurría únicamente por el interferómetro externo.

Lo que Vaidman y sus colaboradores descubrieron es que el detector registraba, en efecto, la oscilación del espejo del interferómetro externo, pero también, sorprendentemente, las frecuencias de los espejos situados dentro del aparato interior, y en cambio no así las de los espejos situados a la entrada y a la salida de este.

En otras palabras: la luz había pasado por el interferómetro interno, pero sin entrar ni salir de él.

Tan sorprendentes son los resultados que el estudio, disponible en la web de prepublicaciones arXiv.org y de próxima aparición en la revista Physical Review Letters, contiene varios signos de admiración, algo completamente inusual en la literatura científica.

Sin embargo, para Vaidman no hay tal sorpresa: “Yo pude anticipar estos resultados porque consideré el problema en el formalismo de vector de dos estados”, afirma.

El formalismo de vector de dos estados (TSVF, por sus siglas en inglés) al que Vaidman se refiere es una interpretación de la mecánica cuántica propuesta por primera vez en 1955 por el japonés Satosi Watanabe, y rescatada en 1964 por Peter Bergmann, Joel Lebowitz y Yakir Aharonov, el director de la tesis doctoral de Vaidman.

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Esta teoría contempla la mecánica cuántica desde una simetría temporal; eventos cuánticos en apariencia aleatorios son en realidad el producto de causas futuras, de modo que el estado presente de una partícula es una combinación de su pasado y su futuro.

Para conocer el efecto de una causa futura en el presente es necesario medir el sistema, y esto destruiría el propio estado futuro. Fue por este motivo que Aharonov, Vaidman y David Albert desarrollaron el concepto de medición débil, que no altera el sistema.

Según el TSVF, cada partícula se describe por dos vectores, uno que avanza en el tiempo desde la fuente de luz, y otro que retrocede en el tiempo desde el detector.

Un fotón solo puede encontrarse en un lugar si ambos vectores son distintos de cero en ese lugar. Los investigadores explican en su estudio que el interferómetro interno anula toda onda que sale de él; por tanto, a la salida de este aparato la onda que avanza es cero, pero a la entrada del aparato la onda que retrocede también es cero, por lo que en estos dos lugares no puede encontrarse ningún fotón.

Por el contrario, dentro del interferómetro interno ambas ondas son distintas de cero, por lo que puede detectarse que los fotones han pasado por el interior del aparato, pero sin entrar ni salir de él.

“¡Los fotones nos dicen que han estado en partes del interferómetro que no podían atravesar!”, escriben los autores.

“A pesar de lo que Bohr predicó en contra, PODEMOS hablar del pasado de una partícula cuántica, pero utilizando el TSVF”, escribe Vaidman en un correo electrónico, destacando el verbo en mayúsculas.

El físico se refiere al danés Niels Bohr, uno de los padres de la teoría cuántica, quien aseguraba que no tenía sentido hacer preguntas sobre el pasado de una partícula, ya que este no determinaba el estado actual. “La descripción completa de un sistema cuántico en el pasado requiere el TSVF”, agrega Vaidman. En su estudio, los investigadores concluyen que “el pasado de los fotones no se representa por trayectorias continuas”.

Vaidman se muestra “realmente emocionado por haber demostrado una nueva paradoja cuántica”. Sin embargo, el físico aclara que el TSVF “proporciona una teoría simple que puede ayudar y de hecho ya ha ayudado a encontrar aplicaciones útiles”, pero que no contradice en nada a la doctrina clásica de la mecánica cuántica. Se trata de diferentes interpretaciones.

En el caso del experimento de Vaidman, una interpretación clásica atribuiría el efecto observado al hecho de que la oscilación de los espejos anula la interferencia destructiva, permitiendo que algo de la onda escape aunque la probabilidad de encontrar el fotón allí sea casi cero; es decir, la medición débil altera el sistema ligeramente.

“Si quiero analizar el problema a la manera estándar utilizando solo la función de onda que avanza hacia delante, entonces la perturbación débil en la medición débil explica el resultado”, señala Vaidman. “Pero es un efecto de interferencia peculiar y difícilmente esperado”.

El científico destaca que el TSVF entronca con la interpretación de los universos múltiples de la mecánica cuántica (MWI, por sus siglas en inglés), según la cual todos los posibles desenlaces se producen de forma real en universos paralelos.

De acuerdo con la MWI, en el experimento de la doble rendija la presencia del observador no colapsa la función de onda en uno solo de los muchos estados cuánticos posibles, sino que todos ellos existen de hecho en distintos mundos según una realidad que se va ramificando.

A juicio de Vaidman, su experimento “encaja muy bien con la MWI. La onda que retrocede en el TSVF solo tiene significado en un mundo particular en el que la medición posterior a la selección tiene un resultado particular. En diferentes mundos con diferentes desenlaces, tenemos distintas funciones de onda que retroceden y, por tanto, diferentes pasados de las partículas cuánticas”.

Fuentes:

ABC

Technology.org