NUESTROS PENSAMIENTOS ACTÚAN EN LOS FOTONES

Oscar Villar Miér 20 Jul 2011 - 17:12

Astronomía cuántica: lo cognoscible y lo no cognoscible en el universo.

Por :Heber Rizzo
Penúltimo artículo de la serie de cuatro sobre el experimento de astronomía cuántica propuesto por el Instituto SETI que versa sobre lo que se puede conocer o no en términos de física cuántica y cómo afecta esto a los resultados que se quieren medir.

Este es el tercer artículo de una serie de cuatro, cada uno de los cuales con una explicación separada de diferentes fenómenos cuánticos. Cada artículo es una pieza de un mosaico, de modo que todos son necesarios para comprender la explicación final del experimento de astronomía cuántica que proponemos, utilizando posiblemente al Conjunto de Telescopios Allen y los detectores de radioondas de banda angosta que están siendo construidos por el Instituto SETI y la Universidad de California, Berkeley.|

En los dos artículos previos discutimos el experimento básico de doble ranura que demuestra la naturaleza dual de la luz (ondas y partículas) y luego el Principio de Incertidumbre de Heisenberg que demuestra la complementariedad (la exclusión mutua) de lo que se puede medir al mismo tiempo. En este artículo discutiremos la interpretación más básica de la física cuántica en términos de lo que se puede conocer o no, y cómo esto afecta los resultados que se intentan medir.

John Bell formuló el principio de incertidumbre en términos de lo que se podía conocer o no en un experimento. Varios experimentos tipo-Bell han demostrado con éxito que ésta parecería ser la interpretación más simple de la situación. Tomando nuestro ejemplo de la doble ranura, si se coloca un detector en una u otra de las dos ranuras (aún uno que no destruya el fotón, el electrón, o cualquiera que sea la partícula que pasa a través de la ranura) entonces no aparece un patrón en el detector. Esto es así porque se ha armado un experimento en el cual se puede “saber” que camino había tomado la partícula (es decir, cual de las ranuras había atravesado). Si se puede saber ésto, entonces la partícula no puede pasar al mismo tiempo por las dos ranuras y no se logra un patrón de interferencia. Entonces, se podría decir, ¿qué sucede si no se observa al detector colocado en una u otra de las ranuras?. Pues bien, tampoco se logra un patrón de interferencia porque existe la posibilidad de saber qué camino tomó el fotón. Incluso este potencial (es decir, “lo cognoscible”) es suficiente como para impedir la formación de un patrón de interferencia. Debe ser eliminada toda capacidad de detectar qué camino tomó una partícula elemental (en este caso un fotón de luz) para poder obtener así un patrón de interferencia. En otras palabras, no puede ser posible determinar (ni siquiera en principio) qué camino tomó la partícula elemental, para que entonces la misma pueda “recorrer” ambos caminos y formar un patrón de interferencia. Este es el concepto más fundamental de la física cuántica: lo cognoscible y lo no cognoscible. Es a partir de este más fundamental concepto del principio de incertidumbre que realizaremos la aproximación a nuestro experimento de astronomía cuántica. Ha sido verificado experimentalmente que si se puede conocer el camino tomado por el fotón, entonces no es posible lograr un patrón de interferencia. Pero si es posible no conocer el camino recorrido por el fotón (o cualquier otra partícula elemental), entonces es seguro que se logrará un patrón de interferencia. Es decir, si se ignora el camino del fotón, entonces el patrón de interferencia no es solamente posible, sino que debe ocurrir.

Este último punto puede decididamente producir efectos no-clásicos. Un ejemplo es el fenómeno conocido como “latidos cuánticos”. Imaginemos un átomo (clásicamente, por ahora) como consistente en un núcleo con electros que saltan a su alrededor. Los electrones no se mueven suavemente cuando se alejan o se acercan al núcleo; realizan saltos discretos (energía cuántica, en realidad) para su transición desde un nivel orbital más bajo a uno más alto (más cerca del núcleo). En realidad, desaparecen en un nivel y aparecen en otro, pero nunca se los puede encontrar entre dos niveles. Cuando un electrón “salta” de un nivel más alto a uno más bajo, emite un fotón de luz. El mismo hecho de que no se puede saber, ni aún en principio, cuál fue el salto de nivel de energía que realizó el electrón, es suficiente como para generar una clase especial de franjas de interferencia llamada “golpes cuánticos”. De ese modo, si bien el poder imaginar las distribuciones de probabilidad como ondas clásicas (del estilo de las ondas en el agua) puede ser de utilidad para los estudiantes principiantes de física, los fenómenos reales de ondas cuánticas son definitivamente no-clásicos y producen decididamente resultados no-clásicos. No son ondas de nada, sino de probabilidades, o de tendencias a existir. Aún así, pueden interferir unas con otras de una manera tipo onda-de-fenómenos antes que se sean medidas, y “transformarse” entonces de ondas de probabilidad a partículas medidas (se dice que este “colapso de la función de onda” ocurre instantáneamente, como lo discutiremos con más profundidad en el artículo cuatro).

Einstein escribió varias veces “Dios no juega a los dados con el universo”. La física cuántica, sin embargo, ha reducido matemáticamente todo a probabilidades, de modo que esa formulación implica inherentemente que los dados ruedan con todas las posibilidades antes de que se realice una medición. Richard Feynman hizo notar que las matemáticas no significan todas las posibilidades. Cada partícula elemental recorre cada camino que posiblemente pueda (una especie de experimento de infinitas ranuras) y que estos números infinitos de caminos se cancelan todos en la matemática multidimensional (el así llamado espacio Hilbert) de modo que finalmente es medido solo un resultado. Sin embargo, un colega de Einstein, el profesor John Wheeler de la Universidad de Princeton hizo notar que se podría adoptar otra interpretación, una interpretación que él llamó “El Universo Participativo”. En esta aproximación se puede considerar al universo como participante directo en cada uno de los efectos cuánticos del tiempo real. En otras palabras, el concepto de una Causa Primaria que inicie todas las cosas (se podría decir, que de cuerda al reloj del universo) y que luego deje que las leyes de la física manejen todas las cosas, podría ser lo incorrecto en la aproximación básica de la física clásica. En cambio, en este escenario participativo, la Causa de las leyes físicas permanece como un Participante activo (si se quisieran introducir algunos puntos religiosos en estas discusiones, yo diría simplemente que es importante comprender lo que se dice y lo que no se dice allí, es decir, no debemos simplificar en exceso lo que hubo en la presentación del profesor Wheeler acerca de esta interesante conceptualización propuesta para la realidad cuántica).

El profesor Wheeler presentó un experimento Gedanken (es decir, un experimento mental) al que llamó el experimento de la “elección retardada”. Propuso un gran agrandamiento (hasta escalas cósmicas) del experimento de Young de la doble ranura del que tanto hemos hablado. En este experimento Gedanken se utilizan lentes gravitatorias, que pueden curvar la luz proveniente de quasares o galaxias distantes, como unas ranuras gigantescas que creen dos senderos para los fotones que lleguen de esos objetos lejanos. La relatividad general demuestra que las masas en el espacio pueden curvar la luz. El primer apoyo para la confirmación de la teoría de la relatividad de Einstein provino de las mediciones de la curvatura de la luz proveniente de estrellas realizada por la masa del Sol (es decir, que el espacio-tiempo se curva en las cercanías de las grandes masas). Resulta que las grandes masas como las galaxias que están bastante cerca de ubicarse directamente entre un quasar distante y nosotros curvarán la luz del objeto distante hacia nosotros. Puede pensarse en la luz proveniente desde un quasar o galaxia distante que llega directamente a nosotros (llamémosle sendero lumínico A) mientras que otro poco de luz se dirige hacia el espacio en ángulos ligeramente diferentes. Esta luz, sin embargo, encuentra en su camino una galaxia masiva que modo que los rayos de luz que normalmente no hubieran llegado a la Tierra se curvan también hacia nosotros (llamaremos a éste el sendero lumínico B). Entonces, parecerá que tenemos dos quasares con una galaxia masiva entre ellos. Sin embargo, es solamente un quasar cuyos rayos están llegando a nosotros a través de un modo más o menos directo por el sendero A y cuya segunda imagen aparece al otro lado de la galaxia masiva, esta vez con los rayos de luz atravesando el sendero curvado B (es decir, curvado hacia nosotros). De ese modo parece que tenemos dos quasares cuando en realidad son dos imágenes del mismo quasar.

John Wheeler comprendió que estos dos senderos constituían una especie de experimento de doble ranura donde las dos ranuras eran las imágenes de los lentes gravitatorias. Los dos senderos de luz proveniente del quasar podrían ser utilizados para interferir uno con otro. Sin embargo, esto podría ser realizado (según la aproximación de Bell al principio de incertidumbre) solamente si no se podía identificar cuál de los dos senderos en particular había recorrido el fotón. Una forma de evitar conocer cuál es el sendero recorrido por un fotón en particular es hacer que los dos senderos sean iguales (dentro del principio de incertidumbre), de forma que no se pudiera distinguir entre los fotones que llegaran a través del sendero A o del sendero B. Aún si hubiera una llamarada en el quasar, esta llamarada (un pico en la luminosidad) llegaría al mismo tiempo a la Tierra y no podría utilizarse ninguna diferencia temporal para distinguir el camino recorrido (se puede ver que si los caminos no son iguales, la luz de la llamarada llegaría a través del sendero A antes que la del sendero B de modo que se podría identificar al sendero, de forma que se negaría la posibilidad de lograr un patrón de interferencia). El profesor Wheeler “resolvió” el problema agregando un inmensamente largo cable de fibra óptica al sendero A de forma de hacerlo tan largo como el sendero B (el cable de fibra óptica tendría en este caso una longitud de un año luz, de modo que era realmente un experimento Gedanken sin mucha esperanza de realización práctica, pero nosotros proponemos una solución posible a este problema en el cuarto y último ensayo). La parte de elección retardada del experimento era, sin embargo, muy interesante aún. Dado, entonces, que se logre de esta forma un patrón de interferencia, se podría colocar un detector en la intersección de los senderos lumínicos A y B y rehacer así una versión a escala cósmica del experimento de la doble ranura de Young (donde los fotones de luz de las imágenes A y B cruzando el universo son el equivalente de la luz atravesando las ranuras 1 y 2 en el laboratorio).

Diremos ahora que uno de los fundadores de la física cuántica, P. A. M. Dirac, hizo notar que, al menos en el experimento de la doble ranura de Young, se podría lograr un patrón de interferencia si cada fotón interfiriera únicamente consigo mismo, es decir, que cada fotón en particular debería atravesar las dos ranuras y de ese modo interferir consigo mismo, y no con algún otro fotón. Ciertamente ésto tenía sentido en términos de que el experimento se realizara con un fotón a la vez, y que aún así produjera interferencia (también hay argumentos de conservación de energía: no se podría esperar que dos fotones produjeran cuatro veces la energía cuando se encontraran de vez en cuando, creando una línea brillante, y ninguna energía cuando se encontraran las otras veces, creando una línea oscura en el patrón de interferencia). De modo que si se realizaba el experimento de elección retardada de Wheeler con fotones aislados que sean detectados en un momento, se podría esperar (si no se puede definir cuál de los caminos, A o B, han transitado esos fotones) que resultaría un patrón de interferencia donde se juntaran ambos caminos. Sin embargo, si se trasladara el detector para que únicamente detectara los fotones del sendero A, entonces esos fotones habrán atravesado únicamente el sendero A (según el razonamiento clásico). O, igualmente, si uno trasladara el detector para intersectar los fotones del sendero B, entonces los fotones habrían únicamente transitado el sendero B.

Lo interesante del experimento mental del profesor Wheeler es que el quasar que emite los fotones se encuentra a mil millones de años luz de distancia, es decir, que se supone que la luz de este quasar ha tardado mil millones de años para viajar hasta la Tierra. Parece sorprendente que cualquier fotón dado deba necesariamente haber viajado por los dos senderos cuando se coloca al detector en la intersección de ambos, pero que sin embargo lo haya hecho únicamente por uno u otro sendero cuando se decide colocar el detector directamente en uno de esos senderos y no en la intersección. En otras palabras, ¿cómo puede ser que la decisión de dónde colocar el detector afecte el camino de un fotón dado mil millones de años después de que supuestamente comenzó su viaje por uno de esos senderos hacia la Tierra, mucho antes de que los humanos siquiera existieran en este planeta (y, por supuesto, de que hubieran descubierto la física cuántica)?. Parecería que lo que “sucedió” en el pasado distante pudiera, en este caso, estar determinado por lo que está sucediendo ahora, incluso aún cuando se supone que “sucedió” hace más de mil millones de años. La elección de cuál sendero, en otras palabras, ha sido de algún modo “retardada”. Ésto podría ser visto como que el universo está jugando más el papel de un participante activo en lo que está sucediendo, en lugar de sobre lo que sucedió, en este caso, en el pasado. De ahí entonces la conceptualización del “Universo Participativo”.

Este interesante experimento Gedanken apunta a lo que podría ser la diferencia principal entre la relatividad general y la física cuántica. En la relatividad general, el tiempo es una dimensión definida, parte de un ya inalterable continuo espacio-tiempo. En cambio en la física cuántica, el tiempo es, como máximo, una variable, y también está “cuantizado” (es decir, que hay partículas de tiempo). Por lo tanto, más que ser un absoluto, el tiempo de la física cuántica no es un fondo sólido sobre el que cambian las partículas en el espacio. En la física cuántica, en cierto sentido el tiempo no existe hasta que las “partículas de tiempo” son medidas.

En el cuarto y último ensayo, hablaremos sobre la posibilidad de llevar a cabo el experimento Gedanken del profesor Wheeler, que podría abrir todo un nuevo campo de investigación; un campo al que llamaremos “Astronomía Cuántica”.