PARADOJAS CUÁNTICAS Y REALIDAD COMPLEJA (I)

Más de un siglo después del descubrimiento del extraño mundo cuántico siguen existiendo controversias sobre como interpretar los extraños y contraintuitivos fenómenos descritos por la mecánica cuántica. Este artículo está compuesto de dos partes: en esta primera parte describiremos algunas de las más famosas "paradojas" cuánticas y en la segunda parte explicaremos como interpretarlas desde el punto de vista más moderno, pragmático y objetivo.

¡Bienvenidos al extraño mundo cuántico, bienvenidos a nuestro extraño mundo real!

La paradoja del explosivo en el interferómetro de luz

El experimento

Consideremos el siguiente sencillo experimento: la luz emitida por un láser atraviesa un espejo semi-reflectante (divisor de haz DH1) que divide el pulso de luz en dos haces diferentes: uno viaja por trayecto 1 y el otro por el trayecto 2. Posteriormente los dos haces se vuelven a recombinar en otro espejo (DH2). Al final del trayecto situamos dos detectores: el detector D1 y el detector D2.

Si no ponemos ningún detector en cualquiera de los caminos la luz se comportará como una onda y tendremos un patrón de interferencia en el espejo final DH2. Colocamos los detectores D1 y D2 en un ángulo tal que D1 solo detecte las franjas oscuras del patrón de interferencia (ningún fotón) y D2 solo detecte las franjas luminosas, de esta forma, cuando hay interferencia todos los fotones llegan al detector superior D2 y el detector D1 nunca se activa.

La paradoja

Ahora imaginar que en lugar de un detector colocamos un explosivo ultrasensible capaz de ser activado por un solo fotón en el trayecto 2 y enviamos fotones individuales hacia el interferómetro. Como tenemos un "detector" en uno de los brazos del interferómetro la luz se comportará como una partícula y pasará aleatoriamente por uno de los trayectos. Si pasa por el trayecto 2 la bomba explotará y el experimento terminará de forma abrupta y desagradable pero si pasa por el trayecto 1 llegará al divisor de haz final el cual reflejará o transmitirá el fotón de forma aleatoria. Esto implica que el detector D1 se activará de media el 50% de las veces que el fotón tome el trayecto 1 y el hecho de que el detector D1 se active solo puede significar que el trayecto 2 está obstruido por la bomba.

La paradoja estriba en que ¡hemos detectado la bomba sin que un solo fotón incida sobre ella! Esto significa que podemos utilizar este experimento para detectar objetos

¡ sin interaccionar con ellos ! Esto es algo realmente extraño, aunque solo funcione de media un 25% de las veces.

Haciendo una modificación de este experimento (ver por ejemplo este artículo) podemos conseguir algo incluso más espectacular: crear un negativo fotográfico de un objeto ¡sin que un solo fotón incida sobre el! Esto ya suena tan extraño que merece una explicación más detallada.

La paradoja del quásar lejano y el efecto lente gravitatoria

El experimento

Un fotón procedente de un quásar (núcleo de galaxia en formación muy lejana) atraviesa una galaxia antes de llegar a la Tierra. La gravedad de la galaxia curva el espacio-tiempo y actúa como una lente gravitatoria produciendo que el fotón se desdoble y rodee la galaxia por ambos extremos. Posteriormente la gravedad hace que ambos haces de luz se recombinen antes de llegar hasta la Tierra. Ya en la Tierra la luz es observada por un telescopio terrestre.

La paradoja

El observador terrestre al observar el fotón rompe el patrón de interferencia. Pero entonces, si la luz ya no se comporta como una onda ¿Por que lado de la galaxia pasó el haz? ¿Cómo puede influir la detección del fotón muchos años después sobre algo que ha pasado muchos años atrás? Sin duda todo esto no parece tener ningún sentido. ¿Cómo podemos explicar estos resultados tan absurdos?

La luz procedente de un quásar lejano es desdoblada por la gravedad de una galaxia que se encuentra entre la Tierra y el quásar. La luz se comporta como una onda, rodea la galaxia y se recombina al llegar a la Tierra pero al ser medida ¡La interferencia desaparece! Pero entonces ¿Por que lado de la galaxia ha pasado el fotón?

La paradoja del experimento de la doble rendija

El experimento

Supongo que la mayoría de los lectores conocerán este experimento y habrán quedado tan extrañados como yo la primera vez que leí sobre el: una fuente emisora de electrones envía partículas de una en una hasta una fina pared con dos rendijas. Más allá de esta se coloca una pantalla que registra los impactos de los electrones que llegan. Si no colocamos ningún detector en las rendijas para comprobar por que rendija pasa el electrón, observamos, después de muchos impactos, un patrón de interferencia en la pantalla. Esto quiere decir que el electrón atraviesa ambas rendijas como una onda:

Si colocamos el detector en una de las rendijas el patrón de interferencia desaparece y observamos impactos individuales, al cabo de muchos impactos observamos solamente dos franjas luminosas. Esto quiere decir que el electrón se comporta como una partícula y atraviesa una sola de las rendijas:

La paradoja

La paradoja consiste en que electrón parece modificar su comportamiento en función de si observamos o no su trayectoria hasta el punto de que el patrón de interferencia desaparece incluso si colocamos el detector antes o después de que el electrón haya atravesado las rendijas. ¿Cómo sabe la partícula si hay un detector en una de las rendijas? ¿Cómo sabe si hemos colocado el detector después de que haya pasado por las rendijas?

La paradoja del experimento del espejo de Feynman

Otra aparente paradoja aparece en el famoso experimento del espejo de Feynman.

En este experimento colocamos una fuente de luz roja S, un espejo y un detector de luz P (un fotomultiplicador) separados por una pared situada en el centro del espejo de la siguiente forma:

Como sabemos por las leyes de la óptica, si la fuente de luz, el detector y la pared se encuentran a la misma distancia el ángulo de la luz incidente será igual al ángulo de la luz reflejada, por tanto, está claro que la luz se refleja en el centro del espejo (zona G). Según esto, las zonas alejadas del centro como la zona A no deberían de intervenir para nada en la reflexión de la luz. Para comprobarlo cortamos las 3/4 partes del espejo y dejamos solo la zona del extremo izquierdo, es decir las zonas A,B,C. Tal y como esperábamos el detector P no detecta ningún fotón:

Esto confirma que el fotón se refleja en el centro del espejo ¿o no?. Supongamos que a continuación rayamos con un objeto muy fino y afilado ciertas partes del trozo del espejo de las zonas A,B,C . Increíblemente ¡ EL DETECTOR COMIENZA A DETECTAR FOTONES !

¿Cómo es esto posible? Parece como si la luz "sintiese" o "rebotase" en todos los puntos del espejo.

Todas estas "paradojas" cuánticas nos muestran unas propiedades tan ajenas al sentido común que son casi imposibles de asimilar: ¿La luz pasa por todos los caminos posibles a la vez? ¿Sabe de antemano si hay un detector en la rendija? ¿Sabe si se colocará el detector después de pasar por la rendija? ¿Sabe si se realizará una medición en la Tierra cientos de millones de años después de pasar por una galaxia?

Evidentemente la luz no "sabe" nada, todas estas preguntas parecen absurdas. En la segunda parte de este artículo explicaremos las claves para tratar de entender todos estos resultados sin sentido.

Fuentes:

Visión cuántica en la oscuridad, Electrodinámica Cuántica, Richard Feynman