Un experimento desarrollado por un equipo de científicos del Reino Unido e India liderado por la UCL (University College London) podría probar si masas relativamente grandes tienen naturaleza cuántica, resolviendo la cuestión de si la descripción de la mecánica cuántica funciona a una escala mucho mayor que la de las partículas. y átomos.
Por lo general, se considera que la teoría cuántica describe la naturaleza en las escalas más pequeñas, y no se han observado efectos cuánticos en un laboratorio para objetos más masivos que aproximadamente una quintillónésima parte de un gramo, o más precisamente 10 -20 . g.
El nuevo experimento, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters y con la participación de investigadores de la UCL, la Universidad de Southampton y el Instituto Bose en Calcuta, India, podría, en principio, probar la cuántica de un objeto independientemente de su masa o energía.
El experimento propuesto explota el principio de la mecánica cuántica de que el acto de medir un objeto puede cambiar su naturaleza. (El término medición abarca cualquier interacción del objeto con una sonda, por ejemplo, si la luz incide sobre él o si emite luz o calor).
El experimento se centra en un objeto parecido a un péndulo que oscila como una bola suspendida de una cuerda. Se proyecta una luz sobre la mitad del área de oscilación, lo que revela información sobre la ubicación del objeto (es decir, si no se observa luz dispersa, entonces se puede concluir que el objeto no está en esa mitad). Se enciende una segunda luz que muestra la ubicación del objeto más adelante en su oscilación.
Si el objeto es cuántico, la primera medición (el primer destello de luz) perturbará su trayectoria (mediante el colapso inducido por la medición, una propiedad inherente a la mecánica cuántica), cambiando la probabilidad de dónde estará en el segundo destello de luz. mientras que si es clásico, entonces el acto de observación no supondrá ninguna diferencia. Luego, los investigadores pueden comparar escenarios en los que hacen brillar una luz dos veces con aquellos en los que sólo se produce el segundo destello de luz para ver si hay una diferencia en las distribuciones finales del objeto.
El autor principal, el Dr. Debarshi Das (UCL Physics &Astronomy y Royal Society) dijo:"Una multitud en un partido de fútbol no puede afectar el resultado del juego simplemente mirando fijamente. Pero con la mecánica cuántica, el acto de observación o medición en sí cambia el sistema."
"Nuestro experimento propuesto puede probar si un objeto es clásico o cuántico al ver si un acto de observación puede conducir a un cambio en su movimiento."
La propuesta, según los investigadores, podría implementarse con las tecnologías actuales que utilizan nanocristales o, en principio, incluso utilizando espejos del LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) en Estados Unidos, que tienen una masa efectiva de 10 kg.
Los cuatro espejos LIGO, que pesan 40 kg cada uno pero vibran juntos como si fueran un solo objeto de 10 kg, ya han sido enfriados al estado de energía mínima (una fracción por encima del cero absoluto) que sería necesario en cualquier experimento que busque detectar el comportamiento cuántico. .
El autor principal, el profesor Sougato Bose (Física y Astronomía de la UCL), dijo:"Nuestro esquema tiene amplias implicaciones conceptuales. Podría probar si objetos relativamente grandes tienen propiedades definidas, es decir, si sus propiedades son reales, incluso cuando no los estamos midiendo. Podría extenderse el dominio de la mecánica cuántica y comprobar si esta teoría fundamental de la naturaleza es válida sólo a determinadas escalas o si también es válida para masas mayores.
"Si no encontramos un límite de masa para la mecánica cuántica, esto agravará aún más el problema de intentar conciliar la teoría cuántica con la realidad tal como la experimentamos."
En mecánica cuántica, los objetos no tienen propiedades definidas hasta que son observados o interactúan con su entorno. Antes de la observación no existen en un lugar definido sino que pueden estar en dos lugares a la vez (estado de superposición). Esto llevó a la observación de Einstein:"¿Está la luna allí cuando nadie la mira?"
La mecánica cuántica puede parecer contradictoria con nuestra experiencia de la realidad, pero sus conocimientos han ayudado al desarrollo de computadoras, teléfonos inteligentes, banda ancha, GPS e imágenes por resonancia magnética.
La mayoría de los físicos creen que la mecánica cuántica es válida a escalas mayores, pero simplemente es más difícil de observar debido al aislamiento necesario para preservar un estado cuántico. Para detectar el comportamiento cuántico en un objeto, su temperatura o vibraciones deben reducirse a su nivel más bajo posible (su estado fundamental) y debe estar en el vacío para que casi ningún átomo interactúe con él. Esto se debe a que un estado cuántico colapsará, un proceso llamado decoherencia, si el objeto interactúa con su entorno.
El nuevo experimento propuesto es un desarrollo de una prueba cuántica anterior ideada por el profesor Bose y sus colegas en 2018. Ya está en marcha un proyecto para realizar un experimento utilizando esta metodología, que probará la naturaleza cuántica de un nanocristal que cuenta con mil millones de átomos, liderado por por la Universidad de Southampton.
Ese proyecto ya apunta a un salto en términos de masa, con intentos anteriores de probar la naturaleza cuántica de un objeto macroscópico limitado a cientos de miles de átomos. Mientras tanto, el esquema recientemente publicado podría lograrse con las tecnologías actuales utilizando un nanocristal con billones de átomos.
Más información: Debarshi Das et al, Esquema independiente de masa para probar la cuantidad de un objeto masivo, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.030202
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por University College London
