Investigadores del MIT observan un comportamiento cuántico característico en gotas que rebotan | Noticias del MIT

En nuestro mundo clásico cotidiano, lo que ves es lo que obtienes. Una pelota es simplemente una pelota y, cuando se lanza por el aire, su trayectoria es directa y clara. Pero si esa bola se redujera al tamaño de un átomo o menos, su comportamiento cambiaría a una realidad cuántica y difusa. La bola existiría no sólo como una partícula física sino también como una onda de posibles estados de partículas. Y esta dualidad onda-partícula puede dar lugar a algunos fenómenos extraños y furtivos.

Una de las perspectivas más extrañas proviene de un experimento mental conocido como el “probador de bombas cuánticas”. El experimento propone que una partícula cuántica, como un fotón, podría actuar como una especie de detector de bombas telequinético. Gracias a sus propiedades como partícula y onda, el fotón podría, en teoría, sentir la presencia de una bomba sin interactuar físicamente con ella.

El concepto es matemáticamente válido y está en línea con lo que permiten las ecuaciones que rigen la mecánica cuántica. Pero cuando se trata de explicar exactamente cómo una partícula lograría tal hazaña de detectar bombas, los físicos quedan perplejos. El enigma radica en el estado inherentemente cambiante, intermedio e indefinible de una partícula cuántica. En otras palabras, los científicos sólo tienen que confiar en que funciona.

Pero los matemáticos del MIT esperan disipar parte del misterio y, en última instancia, establecer una imagen más concreta de la mecánica cuántica. Ahora han demostrado que pueden recrear un análogo del probador de bombas cuánticas y generar el comportamiento que predice el experimento. Lo han hecho no en un entorno exótico, microscópico y cuántico, sino en una configuración de mesa clásica y aparentemente mundana.

En un artículo que aparece hoy en Revisión física AEl equipo informa haber recreado el probador de bombas cuánticas en un experimento con el estudio del rebote de gotas. El equipo descubrió que la interacción de la gota con sus propias ondas es similar al comportamiento onda-partícula cuántica de un fotón: cuando se deja caer en una configuración similar a la propuesta en la prueba de la bomba cuántica, la gota se comporta exactamente de la misma manera estadística que se predice para el fotón. Si realmente hubiera una bomba en la instalación el 50 por ciento de las veces, la gota, al igual que el fotón, la detectaría, sin interactuar físicamente con ella, el 25 por ciento de las veces.

El hecho de que las estadísticas en ambos experimentos coincidan sugiere que algo en la dinámica clásica de la gota puede estar en el corazón del comportamiento cuántico, de otro modo misterioso, de un fotón. Los investigadores ven el estudio como otro puente entre dos realidades: el mundo clásico observable y el reino cuántico más difuso.

"Aquí tenemos un sistema clásico que proporciona las mismas estadísticas que surgen en la prueba de la bomba cuántica, que se considera una de las maravillas del mundo cuántico", dice el autor del estudio John Bush, profesor de matemáticas aplicadas en el MIT. “De hecho, descubrimos que el fenómeno no es tan maravilloso después de todo. Y este es otro ejemplo de comportamiento cuántico que puede entenderse desde una perspectiva realista local”.

El coautor de Bush es el ex postdoctorado del MIT Valeri Frumkin.

Haciendo olas

Para algunos físicos, la mecánica cuántica deja demasiado a la imaginación y no dice lo suficiente sobre la dinámica real de la que supuestamente surgen fenómenos tan extraños. En 1927, en un intento por cristalizar la mecánica cuántica, el físico Louis de Broglie presentó la teoría de la onda piloto: una idea aún controvertida que plantea que el comportamiento cuántico de una partícula no está determinado por una onda estadística intangible de posibles estados, sino por una "onda piloto" física. ”Onda de creación propia, que guía a la partícula a través del espacio.

El concepto se descartó en gran medida hasta 2005, cuando el físico Yves Couder descubrió que las ondas cuánticas de De Broglie podían replicarse y estudiarse en un experimento clásico basado en fluidos. La configuración implica un baño de fluido que vibra sutilmente hacia arriba y hacia abajo, aunque no lo suficiente como para generar ondas por sí solo. Luego se dispensa una gotita de tamaño milimétrico del mismo fluido sobre el baño y, a medida que rebota en la superficie, la gotita resuena con las vibraciones del baño, creando lo que los físicos conocen como un campo de ondas estacionarias que "piloto" o empuja la gotita. a lo largo de. El efecto es el de una gota que parece caminar a lo largo de una superficie ondulada en patrones que resultan estar en línea con la teoría de la onda piloto de De Broglie.

Durante los últimos 13 años, Bush ha trabajado para refinar y ampliar los experimentos hidrodinámicos de ondas piloto de Couder y ha utilizado con éxito la configuración para observar gotas que exhiben un comportamiento emergente similar al cuántico, incluyendo túneles cuánticos, difracción de una sola partícula y trayectorias surrealistas.

"Resulta que este experimento hidrodinámico de onda piloto exhibe muchas características de los sistemas cuánticos que antes se pensaba que eran imposibles de entender desde una perspectiva clásica", dice Bush.

Bombas de distancia

En su nuevo estudio, él y Frumkin se enfrentaron al probador de bombas cuánticas. El experimento mental comienza con un interferómetro conceptual: esencialmente, dos corredores de la misma longitud que se ramifican desde el mismo punto de partida, luego giran y convergen, formando una configuración similar a un rombo a medida que los corredores continúan, cada uno de los cuales termina en un detector respectivo.

Según la mecánica cuántica, si se dispara un fotón desde el punto de partida del interferómetro, a través de un divisor de haz, la partícula debería viajar por uno de los dos corredores con la misma probabilidad. Mientras tanto, la misteriosa “función de onda” del fotón, o la suma de todos sus estados posibles, viaja por ambos corredores simultáneamente. La función de onda interfiere de tal manera que la partícula sólo aparece en un detector (llamémoslo D1) y nunca en el otro (D2). Por lo tanto, el fotón debería detectarse en D1 el 100 por ciento del tiempo, independientemente del corredor por el que haya viajado.

Si hay una bomba en uno de los dos corredores, y un fotón avanza por este corredor, como era de esperar, activa la bomba y la instalación explota en pedazos, y no se detecta ningún fotón en ninguno de los detectores. Pero si el fotón viaja por el corredor sin la bomba, sucede algo extraño: su función de onda, al viajar por ambos corredores, se interrumpe en uno por la bomba. Como no es una partícula, la onda no hace estallar la bomba. Pero la interferencia de las ondas se modifica de tal manera que la partícula será detectada con la misma probabilidad en D1 y D2. Por tanto, cualquier señal en D2 significaría que un fotón ha detectado la presencia de la bomba, sin interactuar físicamente con ella. Si la bomba está presente el 50 por ciento del tiempo, entonces esta extraña detección de bomba cuántica debería ocurrir el 25 por ciento de las veces.

En su nuevo estudio, Bush y Frumkin establecieron un experimento análogo para ver si este comportamiento cuántico podría surgir en las gotas clásicas. En un baño de aceite de silicona, sumergieron una estructura similar a los pasillos en forma de rombo del experimento mental. Luego, cuidadosamente dispensaron pequeñas gotas de aceite en el baño y siguieron sus caminos. Agregaron una estructura a un lado del rombo para imitar un objeto parecido a una bomba y observaron cómo la gota y sus patrones de onda cambiaban en respuesta.

Al final, descubrieron que el 25 por ciento de las veces una gota rebotaba a través del corredor sin la "bomba", mientras que sus ondas piloto interactuaban con la estructura de la bomba de una manera que empujaba la gota lejos de la bomba. Desde esta perspectiva, la gota pudo "sentir" el objeto parecido a una bomba sin entrar físicamente en contacto con él. Si bien la gota exhibió un comportamiento similar al cuántico, el equipo pudo ver claramente que este comportamiento surgió de las ondas de la gota, que ayudaron físicamente a mantener la gota alejada de la bomba. Esta dinámica, afirma el equipo, también puede ayudar a explicar el misterioso comportamiento de las partículas cuánticas.

"No sólo las estadísticas son las mismas, sino que también conocemos la dinámica, lo cual era un misterio", dice Frumkin. "Y la inferencia es que una dinámica análoga puede subyacer al comportamiento cuántico".

"Este sistema es el único ejemplo que conocemos que no es cuántico pero comparte algunas propiedades fuertes de las partículas ondulatorias", dice el físico teórico Matthieu Labousse, de ESPCI París, que no participó en el estudio. "Es muy sorprendente que muchos ejemplos que se consideran peculiares del mundo cuántico puedan ser reproducidos por un sistema tan clásico. Esto permite comprender la barrera entre lo que es específico de un sistema cuántico y lo que no lo es. Los últimos resultados del estudio El grupo del MIT empuja la barrera muy lejos".

Esta investigación cuenta con el apoyo, en parte, de la Fundación Nacional de Ciencias.