Fuente: Ciencia Kanija
Físicos de Francia han usado pares de
gotas que rebotan en la superficie de un fluido para simular el efecto
Zeeman – un fenómeno que desempeñó un papel importante en el desarrollo
inicial de la mecánica cuántica. La capacidad de simular efectos
puramente cuánticos usando un sistema clásico podría proporcionar una
visión a cómo deberían interpretarse las matemáticas de la mecánica
cuántica.
¿Qué significa la ecuación de
Schrödinger? La cuestión se ha debatido por parte de los físicos desde
que este pilar básico de la mecánica cuántica hizo su aparición hace
casi 90 años. Aunque su poder predictivo se ha verificado muchas veces
en laboratorios de todo el mundo, cómo deberían interpretarse
exactamente las soluciones a la ecuación (las funciones de onda) es algo
que aún no está claro.
Imagen de dos caminantes
La escuela de pensamiento más popular es la famosa “interpretación de Copenhague”, formulada por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920. Esta interpretación probabilística de la mecánica cuántica sostiene que las propiedades observables de una partícula no tienen valores definidos hasta que se miden. No obstante, este enfoque no está universalmente aceptado, y otra interpretación de la mecánica cuántica apoyada por algunos físicos es la conocida como “onda piloto”, formulada por Louis de Broglie en 1927 y más tarde desarrollada por David Bohm. Esta asume que las propiedades observables de las partículas cuánticas se definen en todo momento, pero que están guiadas por una onda, lo cual explica nítidamente la dualidad onda-partícula. Este es un ejemplo de teoría de variable oculta debido a que explica las propiedades medibles de la mecánica cuántica como consecuencia de una característica física real pero experimentalmente inaccesible – la onda.
¿Artificial o intuitivo?
Las dos teorías son matemáticamente
indistinguibles, por lo que algunos físicos ven la “interpretación de
Bohm” como un intento artificial de explicar los resultados
experimentales de la mecánica cuántica sin abrazar la extrañeza de la
interpretación de Copenhague. Sin embargo, en 1980 Michael Berry y sus
colegas de la Universidad de Bristol en el Reino Unido usaron una
analogía con ondas de superficie en un fluido clásico para llegar a una
explicación más intuitiva de un extravagante fenómeno cuántico conocido
como efecto Aharonov–Bohm (descubierto por el mismo Bohm).
Ahora, Yves Couder de la Universidad de
París Diderot y sus colegas han explorado aún más esta analogía
observando el comportamiento de diminutas gotas que rebotan, conocidas
como “caminantes” cuando se mueven a lo largo de la superficie de un
vibrante baño de aceite de silicona. Las gotas crean ondas en la
superficie del fluido y, a su vez, se ven influidas por estas ondas. De
acuerdo con Couder, esto proporciona un paralelismo interesante con el
modelo de “onda piloto” de la mecánica cuántica.
“Existe una simbiosis entre la gota y la
onda”, explica Couder, “debido a que si no hay gota no hay onda. Y si
no hay onda la gota no se mueve”. Couder y sus colegas creen que esta
interacción entre el caminante y la onda que crea es un ejemplo de
dualidad onda-partícula en un sistema clásico debido a que, aunque la
gota se sitúa en el espacio como una partícula, su movimiento pueden
verse influido por cualquier cosa que afecte a la onda piloto.
Estados ligados
Couder enfatiza que el sistema de su
grupo no es una analogía exacta de la mecánica cuántica dado que, por
ejemplo, requiere una entrada continua de energía que se logra haciendo
vibrar el baño. Sin embargo, en anteriores investigaciones el grupo ha
logrado usar caminantes para crear analogías clásicas de efectos
cuánticos de difracción y tunelado de una única partícula. También han
demostrado que dos caminantes pueden orbitarse entre sí para formar
estados ligados, en una analogía de los estados ligados cuantizados de
un átomo.
En la nueva investigación, el grupo
investigó el efecto Zeeman – un efecto cuántico donde los niveles de
energía de un átomo se dividen en presencia de un campo magnético
externo. Un átomo es un estado ligado de un núcleo y uno o más
electrones – y esto se simula mediante un estado ligado de dos
caminantes.
Para crear una analogía de un campo
magnético aplicado, los investigadores hicieron girar la bañera. El
estado ligado de los dos caminantes quedaba entonces libre para rotar a
favor o en contra del eje de rotación de la bañera – simulando los
estados de momento angular orbital de un átomo. En ausencia del campo
magnético simulado, ambos estados rotacionales tienen la misma energía.
Sin embargo, cuando giraba la bañera la energía de los estados
rotacionales se dividía, aumentando uno y disminuyendo el otro – al
igual que los estados del momento angular de un átomo en un campo
magnético. El equipo también vio abruptas transiciones entre niveles de
energía.
Fernando Lund de la Universidad de Chile
en Santiago, que ha dirigido un grupo de investigación que analiza
problemas similares pero que no estuvo implicado en la investigación
actual dice: “La característica más importante de este artículo, y de
otros del mismo equipo, es el uso maestro de tecnología de vanguardia
para llevar a cabo analogías entre la física clásica y cuántica que
pueden visualizarse con facilidad”. Sugiere que podría ser interesante
intentar visualizar otros fenómenos cuánticos usando medios clásicos.
“Mi candidato favorito sería el espín semientero de algunas partículas
como los electrones”, señala. “¡No veo otra forma de poder abordar la
respuesta a esta pregunta!”
La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.
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