Las paradojas cuánticas siguen confundiendo a los físicos

Las paradojas cuánticas siguen confundiendo a los físicos

Láser difractado usando rendija doble.
| UAM.

Casi 60 años después de que lo dijera Feynman, nadie entiende todavía la mecánica cuántica

Dos nuevos experimentos han sorprendido a los físicos: ponen de manifiesto que el Modelo Estándar no se comprende del todo. La dualidad en la física elemental está más extendida de lo que se piensa, mientras se comprueba que una sola partícula puede atravesar a la vez dos caminos paralelos.

Dos experimentos recientes han aumentado las paradojas de la mecánica cuántica, poniendo de manifiesto que este campo de la física oculta todavía grandes sorpresas.

El primer experimento, desarrollado en el Instituto Niels Bohr, ha descubierto una nueva y sorprendente dualidad en la física teórica de partículas. Liderada por Matthias Wilhelm, esta investigación comprobó que hay algo en los intrincados detalles del Modelo Estándar de física de partículas que no se comprende del todo.

El estudio se basa en el experimento de Young, más conocido como el experimento de la doble rendija, concebido en 1801 por Thomas Young para averiguar la naturaleza corpuscular de la luz. Este experimento ha sido básico para demostrar la dualidad onda-partícula propia de la mecánica cuántica.

La dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas elementales y ondas, ya que las partículas pueden comportarse como ondas y las ondas como partículas.

 El misterio de la doble rendija

¿Qué ocurre en el experimento de la doble rendija? Pues que una partícula se encuentra con una pared que no puede atravesar, pero aprovecha que tiene dos rendijas y entonces se cuela a través de ellas cambiando su naturaleza corpuscular por otra de onda. Luego recupera su naturaleza original y se comporta como una partícula que incluso deja una huella medible.

El nuevo estudio descubrió una dualidad similar que no ha podido explicar. Se basa en las colisiones de protones que se provocan en el Gran Colisionador de Hadrones: estos protones contienen muchas partículas elementales más pequeñas, gluones y quarks.

Cuando se producen las colisiones entre protones, dos gluones de diferentes protones pueden interactuar y crear nuevas partículas, como el bosón de Higgs, lo que da como resultado patrones entrelazados que terminan reflejados en los detectores.

En la observación de esos procesos se produjo la sorpresa, que Wilhelm explica así: "calculamos el proceso de dispersión de dos gluones que interactúan para producir cuatro gluones, así como el proceso de dispersión de dos gluones que interactúan para producir un gluon y una partícula de Higgs".

Dualidad clásica

Y añade: "para nuestra sorpresa, encontramos que los resultados de estos dos cálculos están relacionados. Un caso clásico de dualidad. De alguna manera, la respuesta a la probabilidad de que suceda un proceso de dispersión lleva consigo la respuesta a la probabilidad de que suceda el otro proceso de dispersión".

Destaca asimismo que "lo extraño de esta dualidad es que no sabemos por qué existe esta relación entre los dos procesos de dispersión diferentes. Estamos mezclando dos propiedades físicas muy diferentes de las dos predicciones, y vemos la relación, pero todavía es un misterio dónde radica la conexión”, enfatiza Wilhelm.

Aquí radica una nueva paradoja cuántica: según lo que se sabe hoy en día, los dos procesos de dispersión no deberían estar conectados, pero tras el descubrimiento de esta sorprendente dualidad, la única forma adecuada de reaccionar es investigar más a fondo, concluyen los investigadores del Instituto Niels Bohr, añadiendo no obstante que el resultado obtenido puede ayudar a descubrir la nueva física.  Los resultados de esta investigación se publican en la revista Physical Review Letters.

El laboratorio S18 en el Institut Laue Langevin (ILL) en Grenoble, donde se descubrió la segunda paradoja cuántica.. | Laurent Thion, ILL

Segunda paradoja nueva

La segunda paradoja nueva no deja de ser tanto o más sorprendente que la primera y viene a confirmar que la física cuántica tiene una vez más razón: ha comprobado que un solo neutrón se mueve a lo largo de dos caminos simultáneamente, en proporciones claramente cuantificables.

Realizado por la Universidad Técnica de Viena, este estudio parte también del experimento de la doble rendija, y viene a corregir un viejo defecto de esta paradoja.

Se centra en la huella que dejan las partículas cuando atraviesan la doble rendija: una vez rebasada, en la pared del fondo se reflejan los impactos de las partículas en las que se han convertido de nuevo, pero no se agrupan de forma aleatoria (como podría esperarse), sino siguiendo un orden que vendría determinado por su comportamiento ondulatorio. A ese orden se la llama patrón de interferencia.

Ese patrón de interferencia es el que permite a los investigadores medir la partícula que ha atravesado la doble rendija, pero con una salvedad: no se pueden medir por un solo impacto, sino considerando una serie de impactos del que se extrae estadísticamente la medición individual.

Variante en las rendijas

La nueva investigación, realizada en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble, que posee una de las fuentes de neutrones más intensas del mundo, simplifica esta labor de los científicos: desarrolló una variante del experimento de la doble rendija y consiguió la medición exacta de un único neutrón, a pesar de que había pasado simultáneamente por las dos rendijas sin perder su individualidad.

No hicieron falta los argumentos estadísticos del experimento clásico para describir no sólo el paso del neutrón por ambas rendijas, sino también cómo se distribuyó entre ambas rendijas para emerger intacto después de superar el obstáculo. Los resultados se publican en la revista Physical Review Research.

Ambos experimentos ratifican lo que el físico teórico norteamericano y Premio Nobel Richard Feynman dijo en 1964, cuando sorprendió al mundo con esta frase: “creo que puedo decir con toda seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica". Una reflexión que, casi 60 años después, todavía sigue siendo una realidad.

Referencias

Folding Amplitudes into Form Factors: An Antipodal Duality. Lance J. Dixon et al. Phys. Rev. Lett. 128, 111602; 15 March 2022. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.111602

Quantifying the presence of a neutron in the paths of an interferometer. Hartmut Lemmel et al. Phys. Rev. Research 4, 023075; 27 April 2022. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.023075

 

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