Artículo publicado el 25 de junio de 2012 en The Physics ArXiv Blog
La única forma de estudiar el conflicto
entre la relatividad y la mecánica cuántica es ponerlas a prueba en las
enormes distancias del espacio. Y los físicos ya están haciendo planes
sobre esto.
Uno de los mayores misterios de la
ciencia moderna es que las leyes que gobiernan el universo en las
escalas más grandes son completamente diferentes de las que lo gobiernan
en las escalas más pequeñas.
Esto es extraño, ya que toda nuestra
intuición sobre que el universo nos dice que debería ser consistente
internamente en lugar de estar en conflicto con él mismo. Por esto es
por lo que los físicos están totalmente unidos a la idea de que la
relatividad y la mecánica cuántica deben ser manifestaciones de una idea
mejor y más grande que abarque ambas.
Einstein © Crédito: shaunanyi
Las diferencias entre la relatividad general y la mecánica cuántica son tan grandes que, por el momento, ha fallado cualquier intento de reconciliarlas. Sin embargo, estos intentos han sido completamente teóricos y eso les ofrece una utilidad limitada.
Por ejemplo, los físicos miden
rutinariamente el fenómeno cuántico del entrelazamiento enviando pares
de fotones entrelazados desde un punto a otro. En estos experimentos, el
emisor y receptor deben medir la polarización de los fotones, si es
vertical u horizontal, por ejemplo. Pero esto solo puede suceder si
ambas partes sabes qué dirección es arriba.
Esto es fácil de especificar cuando
están cercanos. Pero se complica mucho más si están separados por
distancias donde la curvatura del espacio-tiempo entra en juego. El
problema aquí es que la respuesta es ambigua y depende del camino que
sigue cada fotón a través del espacio-tiempo.
Los experimentadores pueden calcularlo
rastreando cada fotón hasta su fuente común, si es que se conoce. Pero
entonces, ¿cómo ‘sabe’ cada fotón el camino que ha tomado el otro? Los
teóricos sólo pueden hacer conjeturas.
Otro problema surge cuando este tipo de
experimentos se realizan con el emisor y receptor viajando a velocidades
relativistas. Esto introduce el famoso problema de determinar el orden
de eventos, que Einstein demostró que depende del punto de vista del
observador.
Esto choca frontalmente con la
predicción de la mecánica cuántica. Aquí la medida de un fotón
entrelazado determina instantáneamente el resultado de una futura medida
en el otro, sin importar la distancia entre ellos.
Si la relatividad especial asegura que el orden de eventos es ambiguo, ¿qué tenemos? De nuevo, una derrota para los teóricos.
Por supuesto, la forma de responder estas preguntas es ponerlas a prueba y ver lo que pasa.
Hoy, David Rideout de la Universidad de
California en San Diego y algunos colegas perfilan varias formas de
resolver estos problemas y dicen que este tipo de experimentos deberían
ser posibles en el futuro cercano.
Esto, en gran medida, se debe a que las
herramientas experimentales son estándar en muchos laboratorios ópticos,
por lo que adaptarlos para su uso en el espacio debería ser sencillo.
Dos grupos ya han propuesto hacer este
tipo de experimentos en el espacio. Un grupo quiere poner un conjunto de
instrumentos capaz de generar fotones entrelazados en la Estación
Espacial Internacional para lanzarlos de vuelta a la Tierra. Otro quiere
mantener el equipo cuántico en el suelo y hacer rebotar los fotones en
un simple microsatélite en la órbita baja de la Tierra, una opción que
dicen será más barata, fácil y mejor.
Ningún grupo tiene una fecha de
lanzamiento en mente, ni tan siquiera tienen fondos garantizados para
construir las herramientas. Pero esto podría cambiar, dado el cada vez
mayor nivel de interés en esta área y la posibilidad de que el trabajo
chino pueda adelantar a los esfuerzos occidentales.
Más allá de esto, hay opciones a largo
plazo para enviar fotones desde muy lejos – la Luna o una nave
interplanetaria, por ejemplo.
El contexto es que para encontrar una
nueva física los científicos tienen que llevar sus experimentos a nuevos
límites. Los físicos no han sido capaces de poner a prueba la
relatividad general en la escala cuántica (es decir, la escala de Planck
de 10-34 m). No obstante, actualmente hay trabajos para explorar esta escala usando interferómetros atómicos.
Y hasta ahora, los físicos no han sido
capaces de poner a prueba la mecánica cuántica en la escala de la
relatividad general, debido a que la distancia a la que la curvatura del
espacio-tiempo se hace significativa es demasiado grande. Vimos hace
unas semanas que el récord para el teletransporte cuántico de objetos es
de apenas 150 kilómetros, lo que es demasiado poco para que la
relatividad general haga su magia.
Rideout y sus colegas dicen que esto
cambiará en los próximos años. Las paradojas de la mecánica cuántica se
debatieron por primera vez en las décadas de 1920 y 1930 por Einstein,
Bohr y otros. Pero por varias razones, en particular por un prejuicio
ciego contra este tipo de trabajo, no fue hasta las décadas de 1970 y
1980 cuando los físicos empezaron a ponerlas a prueba experimentalmente.
Las paradojas que surgen por el
encuentro de la mecánica cuántica y la relatividad son igual de viejas y
tal vez más profundas. Y los físicos todavía tienen que empezar un
trabajo conjunto para explorarlas experimentalmente.
Ya va siendo hora de coger el toro por los cuernos.
Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1206.4949: Fundamental Quantum Optics Experiments Conceivable With Satellites Reaching Relativistic Distances And Velocities Fecha Original: 25 de junio de 2012
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