Algunos sistemas físicos, especialmente en el mundo cuántico, no alcanzan un equilibrio estable incluso después de mucho tiempo. Un investigador de ETH ahora ha encontrado una elegante explicación para este fenómeno.

Si pones una botella de cerveza en una bañera grande llena de agua helada, No pasará mucho tiempo antes de que puedas disfrutar de una cerveza fría. Los físicos descubrieron cómo funciona esto hace más de cien años. El intercambio de calor tiene lugar a través de la botella de vidrio hasta que se alcanza el equilibrio.

Sin embargo, hay otros sistemas, especialmente los sistemas cuánticos, que no encuentran el equilibrio. Se asemejan a una hipotética botella de cerveza en un baño de agua helada que no siempre e inevitablemente se enfría a la temperatura del agua del baño. sino que alcanza diferentes estados en función de su propia temperatura inicial. Hasta ahora, tales sistemas han desconcertado a los físicos. Pero Nicolò Defenu, un postdoctorado en el Instituto ETH de Física Teórica de Zúrich, ahora ha encontrado una manera de explicar elegantemente este comportamiento.

Una influencia más distante

Específicamente, estamos hablando de sistemas en los que los bloques de construcción individuales influyen no solo en sus vecinos inmediatos, pero también objetos más alejados. Un ejemplo sería una galaxia:las fuerzas gravitacionales de las estrellas individuales y los sistemas planetarios actúan no solo sobre los cuerpos celestes vecinos, pero mucho más allá de eso —aunque cada vez más débilmente— en los otros componentes de la galaxia.

El enfoque de Defenu comienza simplificando el problema a un mundo con una sola dimensión. En eso, hay una sola partícula cuántica que solo puede residir en ubicaciones muy específicas a lo largo de una línea. Este mundo se parece a un juego de mesa como Ludo, donde una pequeña ficha salta de un cuadrado a otro. Supongamos que hay un dado de juego cuyos lados están todos marcados como 'uno' o 'menos uno', y supongamos que el jugador lanza el dado una y otra vez sucesivamente. La ficha saltará a una plaza vecina, y desde allí saltará hacia atrás o hacia la siguiente casilla. Etcétera.

La pregunta es, ¿Qué sucede si el jugador lanza el dado un número infinito de veces? Si solo hay unos pocos cuadrados en el juego, el token volverá a su punto de partida de vez en cuando. Sin embargo, es imposible predecir exactamente dónde estará en un momento dado porque se desconocen los lanzamientos del dado.

Volver al punto de partida

Es una situación similar con las partículas que están sujetas a las leyes de la mecánica cuántica:no hay forma de saber exactamente dónde están en un momento dado. Sin embargo, es posible establecer su paradero mediante distribuciones de probabilidad. Cada distribución resulta de una superposición diferente de las probabilidades para las ubicaciones individuales y corresponde a un estado de energía particular de la partícula. Resulta que el número de estados de energía estable coincide con el número de grados de libertad del sistema y, por lo tanto, corresponde exactamente al número de ubicaciones permitidas. El punto importante es que todas las distribuciones de probabilidad estables son distintas de cero en el punto de partida. Entonces, en algún momento, la ficha vuelve a su casilla inicial.

Cuantos más cuadrados haya, cuanto menos a menudo el token regrese a su punto de partida; finalmente, con un número infinito de posibles cuadrados, nunca volverá. Para la partícula cuántica, esto significa que hay un número infinito de formas en las que las probabilidades de las ubicaciones individuales se pueden combinar para formar distribuciones. Por lo tanto, ya no puede ocupar solo ciertos estados de energía discretos, pero todos los posibles en un espectro continuo.

Nada de esto es conocimiento nuevo. Existen, sin embargo, variantes del juego o sistemas físicos donde el dado también puede contener números mayores que uno y menores que menos uno, es decir, los pasos permitidos por movimiento pueden ser más grandes, para ser precisos, incluso infinitamente grande. Esto cambia fundamentalmente la situación, como Defenu ha podido demostrar ahora:en estos sistemas, el espectro de energía siempre permanece discreto, incluso cuando hay infinitos cuadrados. Esto significa que de vez en cuando, la partícula volverá a su punto de partida.

Fenómenos peculiares

Esta nueva teoría explica lo que los científicos ya han observado muchas veces en experimentos:los sistemas en los que ocurren interacciones de largo alcance no alcanzan un equilibrio estable, sino más bien un estado metaestable en el que siempre vuelven a su posición inicial. En el caso de las galaxias, esta es una de las razones por las que desarrollan brazos espirales en lugar de ser nubes uniformes. La densidad de estrellas es mayor en el interior de estos brazos que en el exterior.

Un ejemplo de sistemas cuánticos que se pueden describir con la teoría de Defenu son los iones, que son átomos cargados atrapados en campos eléctricos. El uso de trampas de iones para construir computadoras cuánticas es actualmente uno de los proyectos de investigación más grandes del mundo. Sin embargo, para que estas computadoras realmente ofrezcan un cambio radical en términos de potencia computacional, necesitarán una gran cantidad de iones atrapados simultáneamente, y ese es exactamente el punto en el que la nueva teoría se vuelve interesante. "En sistemas con cien o más iones, verías efectos peculiares que ahora podemos explicar, "dice Defenu, quien es miembro del grupo del profesor de ETH Gian Michele Graf. Sus colegas de la física experimental se están acercando cada día más al objetivo de poder realizar este tipo de formaciones. Y una vez que llegan allí, podría valer la pena tomarse una cerveza fría con Defenu.