Gatos de Cheshire cuánticos - 1/3 - Introducción: Luz, polarización y estados cuánticos (2da edición)
(1)
El gato de Cheshire — personaje alucinante que fue cómplice de Alicia — desaparece paulatinamente comenzando por la cola, siguiendo con su cuerpo y así hasta dejar su sonrisa flotando; a lo cual Alicia anota que ha visto gatos sin sonrisa pero nunca sonrisas sin gato. Ver a un gato sonreir ya sería de por sí algo demasiado curioso.
La física cuántica vino para quedarse y burlarse de nuestros determinismos inocentes. Vino para cuestionar todos los esquemas logrados previamente. Siento que es como el regalo de un demiurgo bromista, Nuestro Señor el Clown (2), que mientras avanzamos en el entendimiento de la realidad nos va montando un circo absurdo que cada vez es más incomprensible e inalcanzable. Pero en este caso quiero hablarles sobre gatos cuánticos de Cheshire.
Este concepto se basa en lo siguiente: la risa del gato de Cheshire se va a tomar como un atributo de éste, como una propiedad, algo que tiene o no tiene. El gato se va a tomar como un objeto cuántico. Imaginemos que el gato es un fotón, y que su sonrisa su polarización. Les adelanto la conclusión: la polarización de un fotón puede observarse a pesar de que el fotón no esté presente, análogamente a la sonrisa del gato de Cheshire, cuya sonrisa se puede observar aunque el gato ya no esté.
Para hacer accesible este texto intentaré hacer un sumario sobre los fotones: Los fotones son partículas que están asociadas a la luz. Previo a la física cuántica, sabíamos que la luz es ondas electromagnéticas, algo como el movimiento que se causa en el agua al tirarle una piedra. Las ondas electromagnéticas pueden ir en una dirección unilateral que sería análogo a la perturbación que se mueve a través de una cuerda de guitarra vibrando. Así que no necesariamente la luz es algo que va en todas direcciones como en la analogía del agua, si no que puede ir en una dirección, como en la analogía de una cuerda de guitarra. Por otro lado, hay que tomar en cuenta que la luz se propaga en las 3 dimenciones espaciales y esto complica un poco más las cosas.
(3)
Una manera didáctica que se usa tradicionalmente en cursos de electromagnetismo para trabajar la matemática de las ondas electromagnéticas es descomponer la onda tridimensional en 2 ondas bidimensionales como se muestra en la figura anterior (en realidad la figura 3 muestra el campo magnético M y el eléctrico E, pero imaginemos que son dos campos eléctricos). Estas dos ondas en 2D deben ser perpendiculares con el propósito de que la onda en 3D sea básicamente una suma de estas dos ondas 2D.
(4)
Estas dos ondas en 2D no tienen porque ser iguales ni tienen porqué tener la misma magnitud, y basados en su desfase, podemos explicar su comportamiento. Esto da lugar a cosas muy interesantes y bonitas, como la polarización circular, que muestro a la derecha.
Otras polarizaciones son posibles, desde la típica polarización lineal, en que el campo eléctrico va en un plano y no se menea a los lados. Hay puntos intermedios en que el campo formaría una cresta. El giro de la polarización circular puede ir en el sentido opuesto también. Si las dos componentes 2D tienen distinta magnitud, en vez de ser algo circular sería elíptico. Entonces la luz es una onda en 3D que tiene una polarización.
Luego viene la física cuántica. Einstein descubrió que los fotones transmiten energía en paquetes, es decir que no podemos absorber la mitad o una fracción de un fotón. Si lo absorbemos tenemos que absorberlo enterito. Estos paquetes de energía que van por ahí en forma de luz son los fotones. Los podríamos imaginar como pelotitas imaginarias que van por ahí chocando con otras pelotas. Pero como ha dicho @jga en los comentarios, no son precisamente ni pelotas ni ondas. Y no tenemos porque ponernos paradójicos, que si es onda o que si es partícula o que si una mezcla o qué se yo. Es lo que es y listo. Cada intento de explicar la luz es un modelo que nos puede servir para explicar ciertas cosas.
Ya explicados los fotones y la polarización de éstos, quiero incluir una breve explicación de la superposición de estados cuánticos.
Habíamos quedado que el gato es un fotón. Ahora, este fotón puede tener una superposición de varios estados posibles:
- [Girando a la izquierda] o [Girando a la derecha]
- [Posición L] o [Posición R]
- [Polarización lineal vertical] o [Polarización lineal horizontal]
La superposición de estados cuánticos es otro concepto raro. Pero es un concepto que ya conocemos por la famosa paradoja del gato de Schrödinger en que un gato en una caja es expuesto a un artefacto que suelta veneno dependiendo de un sistema con dos estados cuánticos. Dado un estado cuántico se suelta el veneno y muere el gato, y dado el otro estado cuántico no se suelta el veneno y el gato estará vivo. No sólo no sabemos si el gato está vivo o muerto, porque la caja está cerrada. Según el concepto de superposición de estados cuánticos, el gato está tanto vivo como muerto a la vez. La realidad cuántica admite ambas posibilidades a la vez, como si fueran dos universos simultaneos. Pero no es nada metafísico o mágico. Sencillamente es la interpretación de la mecánica cuántica. Tampoco es para perder la cabeza. Como ya lo dijo von Neumann sobre las matemáticas, aplica también para la física cuántica: uno no la entiende, uno se acostumbra a ella.
Volviendo al gato/fotón, estos 6 posibles estados cuánticos pueden convivir al mismo tiempo, es decir que el fotón puede estar en la posición L como en la posición R a la vez y puede girar para la izquierda como puede girar a la derecha al mismo tiempo. Los 2 estados en la tercer fila, pueden ser expresados en función de los dos estados de la primer fila, y viceversa. Así que tenemos en realidad 4 estados posibles simultáneos.
Esto es sólo la introducción. En la segunda parte vamos por fin a ver cómo está eso de que una polarización-circular/sonrisa puede existir sin que haya un fotón/gato presente. Por si quieren aventurarse a leerlo por ustedes mismos, esto está basado en el artículo de Aharanov et. al, Quantum Cheshire Cats.
(1) Fuente de la imagen
(2) Ver el capítulo titulado "Natividad de Nuestro Señor el Clown", que se encuentra en Maelstrom de Luis Cardoza y Aragón.
(3) Fuente de la imagen
(4) Polarización circular
Muy bueno, entretenido y esclarecedor tu artículo. A mi me gusta la implicación filosófica de las ciencias. Y en este caso creo que el determinismo muere a manos de la incertidumbre a causa de esas pelotas compactas que son los fotones. Lo explico tal y como yo lo entiendo, sabiendo que puedo estar en un error, pues este no es mi tema a pesar de que me gusta. Entiendo que en épocas del determinismo se considera al electrón en una órbita alrededor del núcleo de un átomo. Cuando se intenta demostrar empíricamente este hecho el experimento consiste en "alumbrar" un electrón con un fotón para poder "verlo". Pero como el fotón es indivisible solo podemos enviarle un fotón entero al pobre electrón y este reacciona como si lo hubiera atropellado un autobús enviándolo a tomar por ... Así pues detectamos al electrón, pero solo sabemos donde estaba, no donde está. tras detectarlo en muchos experimentos averiguamos dos cosas.
1.- Que no esta en una órbita sino por una zona que llamaremos orbital
2.- Que podemos saber donde estaba pero siempre tendremos la incertidumbre de donde está.
... y ahí murió la cosmovisión determinista.
Hola @valki. Me parece que estás hablando de los experimentos con los que Einstein demostró su "Efecto fotoeléctrico". Justamente en esto se midió qué colores de luz (o más bien longitudes de onda) sacaban a los electrones de varios metales. Entonces sí, se vio que ciertos fotones con ciertas energías (esto es, ciertos colores de luz) lograban arrancar los electrones de los átomos del metal iluminado. Esto fue un inicio bastante crudo hacia la mecánica cuántica. Con esto se demostró que la luz transmite energía en paquetes y no de manera continua. Otro experimento fundamental fue el de lanzar electrones, protones y hasta átomos a traves de una rendija doble. Esto generaba patrones de interferencia, como si se tratara de ondas de agua. A partir de allí ya quedaba más claro que las partículas muy pequeñas tienen un comportamiento no determinista. Saludos y gracias por comentar
Interesantes apuntes. Solo acotar que a dia de hoy los físicos prefieren no llamarlo dualidad onda-particula sino explicar esto desde una perspectiva diferente (mas matemática de momento) interpretando la función de onda.
En este video quantum fracture lo explica muy bien, lo recomiendo.
Muy buen video @jga. El campo de flechas rotando es una explicación bastante buena. Me habría ahorrado mucha confusión hace tiempo. Por eso es que digo que no hay que caer en preguntarnos si es onda, si es partcula o si es una mezcla de ambas, ya que es lo que es. El modelo de la función de onda es el más general y versátil que tenemos y justamente nos permite predecir muchos fenómenos cuánticos complejos, pero cuando queremos explicar la polarización, por ejemplo, tenemos que recurrir por fuerza a la luz en forma de ondas electromagnéticas. O si queremos explicar el efecto Compton a un principiante, es mejor usar el modelo de los fotones-pelotas. Ahora mismo no recuerdo quién dijo que todos los modelos están equivocados pero algunos son útiles. Gracias por mencionarlo, talvez le aclare algo a más de alguien. Además me da ideas para la segunda parte de esto en que necesitaré introducir la función de onda.