En un asombroso fenómeno de la física cuántica conocido como túnel, las partículas parecen moverse más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, los físicos de Darmstadt creen que el tiempo que tardan las partículas en hacer un túnel se ha medido incorrectamente. Proponen un nuevo método para detener la velocidad de las partículas cuánticas.
En la física clásica existen reglas estrictas que no se pueden eludir. Por ejemplo, si una bola que rueda no tiene suficiente energía, no superará una colina, sino que dará la vuelta antes de llegar a la cima e invertirá su dirección.
En física cuántica, este principio no es tan estricto:una partícula puede atravesar una barrera, incluso si no tiene suficiente energía para atravesarla. Actúa como si se deslizara por un túnel, por lo que el fenómeno también se conoce como "túnel cuántico". Lo que suena mágico tiene aplicaciones técnicas tangibles, por ejemplo, en unidades de memoria flash.
En el pasado, llamaron cierta atención los experimentos en los que las partículas formaban túneles más rápido que la luz. Después de todo, la teoría de la relatividad de Einstein prohíbe las velocidades más rápidas que la luz. Por tanto, la cuestión es si en estos experimentos se "detuvo" correctamente el tiempo necesario para la excavación del túnel. Los físicos Patrik Schach y Enno Giese de TU Darmstadt siguen un nuevo enfoque para definir el "tiempo" de una partícula en túnel.
Ahora han propuesto un nuevo método para medir este tiempo. En su experimento, lo miden de una manera que creen que se adapta mejor a la naturaleza cuántica de los túneles. Han publicado el diseño de su experimento en Science Advances .
Según la física cuántica, las partículas pequeñas como los átomos o las partículas ligeras tienen una naturaleza dual. Dependiendo del experimento, se comportan como partículas o como ondas.
Los túneles cuánticos resaltan la naturaleza ondulatoria de las partículas. Un "paquete de olas" rueda hacia la barrera, comparable a una oleada de agua. La altura de la onda indica la probabilidad con la que la partícula se materializaría en ese lugar si se midiera su posición.
Si el paquete de ondas choca contra una barrera energética, parte de él se refleja. Sin embargo, una pequeña porción penetra la barrera y existe una pequeña probabilidad de que la partícula aparezca al otro lado de la barrera.
Experimentos anteriores observaron que una partícula de luz ha viajado una distancia más larga después de hacer un túnel que una que tenía un camino libre. Por tanto, habría viajado más rápido que la luz. Sin embargo, los investigadores tuvieron que definir la ubicación de la partícula después de su paso. Eligieron el punto más alto de su paquete de ondas.
"Pero la partícula no sigue un camino en el sentido clásico", objeta Enno Giese. Es imposible decir exactamente dónde se encuentra la partícula en un momento determinado. Esto dificulta hacer afirmaciones sobre el tiempo necesario para llegar de A a B.
Schach y Giese, por el contrario, se guían por una cita de Albert Einstein:"El tiempo es lo que se lee en un reloj". Sugieren utilizar la propia partícula del túnel como reloj. Una segunda partícula que no forma un túnel sirve como referencia. Al comparar estos dos relojes naturales, es posible determinar si el tiempo transcurre más lento, más rápido o igualmente rápido durante el túnel cuántico.
La naturaleza ondulatoria de las partículas facilita este enfoque. La oscilación de las ondas es similar a la oscilación de un reloj. En concreto, Schach y Giese proponen utilizar átomos como relojes. Los niveles de energía de los átomos oscilan a determinadas frecuencias. Después de dirigirse a un átomo con un pulso láser, sus niveles inicialmente oscilan sincronizados:se inicia el reloj atómico.
Sin embargo, durante la excavación el ritmo cambia ligeramente. Un segundo pulso láser provoca que las dos ondas internas del átomo interfieran. La detección de la interferencia permite medir la distancia entre las dos ondas de los niveles de energía, lo que a su vez es una medida precisa del tiempo transcurrido.
Un segundo átomo, que no forma un túnel, sirve como referencia para medir la diferencia de tiempo entre la formación de túneles y la no formación de túneles. Los cálculos de los dos físicos sugieren que la partícula túnel mostrará un tiempo ligeramente retrasado. "El reloj excavado en el túnel es un poco más antiguo que el otro", afirma Schach. Esto parece contradecir los experimentos que atribuyeron la velocidad superluminal a la creación de túneles.
En principio, la prueba se puede realizar con la tecnología actual, afirma Schach, pero supone un gran desafío para los experimentadores. Esto se debe a que la diferencia horaria a medir es sólo de alrededor de 10 -26 segundos:un tiempo extremadamente corto. Resulta útil utilizar nubes de átomos como relojes en lugar de átomos individuales, explica el físico. También es posible amplificar el efecto, por ejemplo aumentando artificialmente las frecuencias del reloj.
"Actualmente estamos discutiendo esta idea con colegas experimentales y estamos en contacto con nuestros socios del proyecto", añade Giese. Es muy posible que pronto un equipo decida llevar a cabo este apasionante experimento.
