En el corazón de la mecánica cuántica

Richard Feynman, uno de los más grandes físicos del siglo XX, argumentó que la clave para comprender la mecánica cuántica es el "experimento de la doble rendija". Este experimento conceptualmente simple, realizado hoy, continúa arrojando descubrimientos sorprendentes. Muestran lo incompatible que es la mecánica cuántica con el sentido común, que finalmente condujo a los inventos más importantes de los últimos cincuenta años.

Por primera vez realizó un experimento de doble rendija. Tomás joven (1) en Inglaterra a principios del siglo XIX.

experimento de young

El experimento sirvió para demostrar que la luz es de naturaleza ondulatoria y no corpuscular, como se dijo anteriormente. Isaac Newton. Young acaba de demostrar que la luz obedece intervención - un fenómeno que es el rasgo más característico (independientemente del tipo de onda y del medio en que se propaga). Hoy en día, la mecánica cuántica reconcilia estos dos puntos de vista lógicamente contradictorios.

Recordemos la esencia del experimento de la doble rendija. Como de costumbre, me refiero a una ola en la superficie del agua que se extiende concéntricamente alrededor del lugar donde se arrojó la piedra. 

Una onda está formada por crestas y valles sucesivos que irradian desde el punto de perturbación, manteniendo una distancia constante entre las crestas, que se denomina longitud de onda. Se puede colocar una barrera en el camino de la ola, por ejemplo, en forma de tabla con dos ranuras estrechas cortadas a través de las cuales el agua puede fluir libremente. Al arrojar una piedra al agua, la ola se detiene en la partición, pero no del todo. Dos nuevas ondas concéntricas (2) ahora se propagan al otro lado de la partición desde ambas ranuras. Se superponen entre sí o, como decimos, interfieren entre sí, creando un patrón característico en la superficie. En lugares donde la cresta de una ola se encuentra con la cresta de otra, la protuberancia del agua se intensifica, y donde el hueco se encuentra con el valle, la depresión se profundiza.

2. Interferencia de ondas que emergen de dos ranuras.

En el experimento de Young, la luz de un solo color emitida desde una fuente puntual pasa a través de un diafragma opaco con dos rendijas y golpea la pantalla detrás de ellas (hoy preferiríamos usar luz láser y un CCD). En la pantalla se observa una imagen de interferencia de una onda de luz en forma de una serie de franjas claras y oscuras alternas (3). Este resultado reforzó la creencia de que la luz era una onda, antes de que los descubrimientos a principios del siglo XX mostraran que la luz también era una onda. flujo de fotones Son partículas ligeras que no tienen masa en reposo. Más tarde resultó que el misterioso dualidad onda-partículadescubierta por primera vez para la luz también se aplica a otras partículas dotadas de masa. Pronto se convirtió en la base de una nueva descripción mecánica cuántica del mundo.

3. Visión del experimento de Young

Las partículas también interfieren

En 1961, Klaus Jonsson de la Universidad de Tübingen demostró la interferencia de partículas masivas: electrones utilizando un microscopio electrónico. Diez años más tarde, tres físicos italianos de la Universidad de Bolonia realizaron un experimento similar con interferencia de un solo electrón (usando un llamado biprisma en lugar de una doble rendija). Redujeron la intensidad del haz de electrones a un valor tan bajo que los electrones atravesaron el biprisma uno tras otro, uno tras otro. Estos electrones se registraron en una pantalla fluorescente.

Inicialmente, los rastros de electrones se distribuyeron aleatoriamente sobre la pantalla, pero con el tiempo formaron una imagen de interferencia distinta de las franjas de interferencia. Parece imposible que dos electrones que pasan a través de las rendijas en sucesión en momentos diferentes puedan interferir entre sí. Por lo tanto, debemos reconocer que un electrón interfiere consigo mismo! Pero entonces el electrón tendría que pasar por ambas rendijas al mismo tiempo.

Puede ser tentador mirar el agujero por el que realmente pasó el electrón. Más adelante veremos cómo hacer tal observación sin perturbar el movimiento del electrón. Resulta que si obtenemos información sobre lo que ha recibido el electrón, entonces la interferencia... ¡desaparecerá! La información del “cómo” destruye la interferencia. ¿Significa esto que la presencia de un observador consciente influye en el curso del proceso físico?

Antes de hablar sobre los resultados aún más sorprendentes de los experimentos de doble rendija, haré una pequeña digresión sobre los tamaños de los objetos que interfieren. La interferencia cuántica de objetos con masa se descubrió primero para los electrones, luego para las partículas con masa creciente: neutrones, protones, átomos y, finalmente, para las moléculas químicas grandes.

En 2011 se batió el récord del tamaño de un objeto, sobre el que se demostró el fenómeno de la interferencia cuántica. El experimento fue realizado en la Universidad de Viena por un estudiante de doctorado de la época. Sandra Eibenberger y sus asociados. ¡Se eligió una molécula orgánica compleja que contiene alrededor de 5 protones, 5 mil neutrones y 5 mil electrones para el experimento con dos rupturas! En un experimento muy complejo, se observó la interferencia cuántica de esta enorme molécula.

Esto confirmó la creencia de que Las leyes de la mecánica cuántica obedecen no solo a las partículas elementales, sino también a todo objeto material. Solo que cuanto más complejo es el objeto, más interactúa con el entorno, lo que viola sus propiedades cuánticas sutiles y destruye los efectos de interferencia..

Enredo cuántico y polarización de la luz

Los resultados más sorprendentes de los experimentos de doble rendija provinieron del uso de un método especial de seguimiento del fotón, que no perturbó su movimiento de ninguna manera. Este método utiliza uno de los fenómenos cuánticos más extraños, el llamado entrelazamiento cuántico. Este fenómeno fue advertido allá por los años 30 por uno de los principales creadores de la mecánica cuántica, Erwin Schrodinger.

El escéptico Einstein (ver también 🙂 los llamó acción fantasmal a distancia. Sin embargo, solo medio siglo después se dio cuenta de la importancia de este efecto, y hoy se ha convertido en un tema de especial interés para los físicos.

¿De qué se trata este efecto? Si dos partículas que están cerca una de la otra en algún momento interactúan entre sí con tanta fuerza que forman una especie de "relación de gemelos", entonces la relación persiste incluso cuando las partículas están separadas por cientos de kilómetros. Entonces las partículas se comportan como un solo sistema. Esto significa que cuando realizamos una acción sobre una partícula, inmediatamente afecta a otra partícula. Sin embargo, de esta manera no podemos transmitir intemporalmente información a distancia.

Un fotón es una partícula sin masa, una parte elemental de la luz, que es una onda electromagnética. Después de pasar a través de una placa del cristal correspondiente (llamado polarizador), la luz se polariza linealmente, es decir, el vector del campo eléctrico de una onda electromagnética oscila en un cierto plano. A su vez, al pasar luz polarizada linealmente a través de una placa de cierto espesor de otro cristal en particular (la llamada placa de cuarto de onda), se puede convertir en luz polarizada circularmente, en la que el vector del campo eléctrico se mueve en forma helicoidal ( en sentido horario o antihorario) movimiento a lo largo de la dirección de propagación de la onda. En consecuencia, se puede hablar de fotones polarizados lineal o circularmente.

Experimentos con fotones entrelazados

4a. Un cristal BBO no lineal convierte un fotón emitido por un láser de argón en dos fotones entrelazados con la mitad de energía y polarización mutuamente perpendicular. Estos fotones se dispersan en diferentes direcciones y son registrados por los detectores D1 y D2, conectados por un contador de coincidencia LK.Se coloca un diafragma con dos rendijas en el camino de uno de los fotones. Cuando ambos detectores registran la llegada casi simultánea de ambos fotones, la señal se almacena en la memoria del dispositivo, y el detector D2 camina paralelo a las rendijas. El número de fotones en función de la posición del detector D2, así registrado, se muestra en el recuadro, mostrando los máximos y mínimos, indicando interferencia.

En 2001, un grupo de físicos brasileños realizó en Belo Horizonte bajo la dirección de Esteban Walborn experimento inusual. Sus autores utilizaron las propiedades de un cristal especial (abreviado como BBO), que convierte cierta parte de los fotones emitidos por un láser de argón en dos fotones con la mitad de energía. Estos dos fotones están entrelazados entre sí; cuando uno de ellos tiene, por ejemplo, polarización horizontal, el otro tiene polarización vertical. Estos fotones se mueven en dos direcciones diferentes y juegan diferentes roles en el experimento descrito.

Uno de los fotones que vamos a nombrar controlar, va directamente al detector de fotones D1 (4a). El detector registra su llegada enviando una señal eléctrica a un dispositivo llamado contador de visitas. LK Se realizará un experimento de interferencia sobre el segundo fotón; lo llamaremos fotón de señal. Hay una doble rendija en su camino, seguida por un segundo detector de fotones, D2, un poco más lejos de la fuente de fotones que el detector D1. Este detector puede saltar alrededor de la ranura doble cada vez que recibe la señal adecuada del contador de visitas. Cuando el detector D1 registra un fotón, envía una señal al contador de coincidencias. Si en un momento el detector D2 también registra un fotón y envía una señal al medidor, entonces reconocerá que proviene de fotones entrelazados, y este hecho quedará almacenado en la memoria del dispositivo. Este procedimiento excluye el registro de fotones aleatorios que ingresan al detector.

Los fotones entrelazados persisten durante 400 segundos. Pasado este tiempo, el detector D2 se desplaza 1 mm con respecto a la posición de las rendijas, y el conteo de fotones entrelazados toma otros 400 segundos. Luego, el detector se mueve de nuevo 1 mm y el procedimiento se repite muchas veces. Resulta que la distribución del número de fotones así registrados en función de la posición del detector D2 tiene máximos y mínimos característicos correspondientes a franjas claras y oscuras y de interferencia en el experimento de Young (4a).

Nos enteramos de nuevo que los fotones individuales que pasan a través de la doble rendija interfieren entre sí.

¿Cómo es eso?

El siguiente paso en el experimento fue determinar el agujero a través del cual pasaba un fotón en particular sin perturbar su movimiento. Propiedades usadas aquí placa de cuarto de onda. Se colocó una placa de cuarto de onda frente a cada rendija, una de las cuales cambiaba la polarización lineal del fotón incidente a circular en el sentido de las agujas del reloj y la otra a polarización circular izquierda (4b). Se verificó que el tipo de polarización de los fotones no afectaba el número de fotones contados. Ahora bien, determinando la rotación de la polarización de un fotón después de haber pasado por las rendijas, es posible indicar por cuál de ellas ha pasado el fotón. Saber "en qué dirección" destruye la interferencia.

4b. Al colocar placas de cuarto de onda (rectángulos sombreados) frente a las rendijas, se puede obtener información de "en qué dirección" y la imagen de interferencia desaparecerá.

4c. La colocación de un polarizador P adecuadamente orientado frente al detector D1 borra la información de "en qué sentido" y restaura la interferencia.

De hecho, después de la colocación correcta de las placas de cuarto de onda frente a las rendijas, desaparece la distribución de cuentas observada anteriormente, indicativa de interferencia. ¡Lo más extraño es que esto sucede sin la participación de un observador consciente que pueda tomar las medidas adecuadas! La mera colocación de placas de cuarto de onda produce un efecto de cancelación de interferencias.. Entonces, ¿cómo sabe el fotón que después de insertar las placas, podemos determinar el espacio por el que pasó?

Sin embargo, este no es el final de la rareza. Ahora podemos restaurar la interferencia de fotones de señal sin afectarla directamente. Para ello, en la trayectoria del fotón de control que llega al detector D1, se coloca un polarizador de forma que transmita luz con una polarización que sea una combinación de las polarizaciones de ambos fotones entrelazados (4c). Esto cambia inmediatamente la polaridad del fotón de la señal en consecuencia. Ahora ya no es posible determinar con certeza cuál es la polarización de un fotón que incide en las rendijas y por qué rendija pasó el fotón. ¡En este caso, se restablece la interferencia!

Borrar información de selección retrasada

Los experimentos descritos anteriormente se llevaron a cabo de tal manera que el fotón de control fue registrado por el detector D1 antes de que el fotón de señal llegara al detector D2. El borrado de la información de "qué camino" se realizó cambiando la polarización del fotón de control antes de que el fotón de señal alcanzara el detector D2. Entonces uno puede imaginar que el fotón controlador ya le ha dicho a su "gemelo" qué hacer a continuación: intervenir o no.

Ahora modificamos el experimento de tal manera que el fotón de control golpea el detector D1 después de que el fotón de señal se registra en el detector D2. Para hacer esto, aleje el detector D1 de la fuente de fotones. El patrón de interferencia se ve igual que antes. Ahora coloquemos placas de un cuarto de onda frente a las rendijas para determinar qué camino ha tomado el fotón. El patrón de interferencia desaparece. A continuación, borremos la información de "en qué dirección" colocando un polarizador adecuadamente orientado frente al detector D1. ¡El patrón de interferencia aparece de nuevo! Sin embargo, el borrado se realizó después de que el detector D2 registrara el fotón de la señal. ¿Cómo es esto posible? El fotón tenía que ser consciente del cambio de polaridad antes de que pudiera llegarle cualquier información.

5. Experimentos con un rayo láser.

La secuencia natural de eventos se invierte aquí; ¡el efecto precede a la causa! Este resultado socava el principio de causalidad en la realidad que nos rodea. ¿O tal vez el tiempo no importa cuando se trata de partículas entrelazadas? El entrelazamiento cuántico viola el principio de localidad de la física clásica, según el cual un objeto solo puede verse afectado por su entorno inmediato.

Desde el experimento brasileño, se han llevado a cabo muchos experimentos similares, que confirman plenamente los resultados presentados aquí. Al final, el lector quisiera explicar claramente el misterio de estos fenómenos inesperados. Desafortunadamente, esto no se puede hacer. La lógica de la mecánica cuántica es diferente de la lógica del mundo que vemos todos los días. Debemos aceptar esto con humildad y regocijarnos por el hecho de que las leyes de la mecánica cuántica describen con precisión los fenómenos que ocurren en el microcosmos, que se utilizan de manera útil en dispositivos técnicos cada vez más avanzados.