Parte 2, El mundo cuántico es cuatico*
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| Corral de atomos sobre una superficie de cobre, escaneado con microscopia de efecto tunel. El efecto tunel es otra caracteristica extraña del mundo cuantico [Image Originally created by IBM corporation] |
Algunas
columnas atrás, hablamos de la complejidad de distintos
problemas. Vimos que existen problemas fáciles de resolver (P), y
problemas cuya solución es fácil de verificar (NP). También
discutimos que los problemas P son fáciles de solucionar en
computadores normales, mientras que los NP son difíciles, debido a
que involucran buscar entre muchísimas posibilidades por una
solución.
La pregunta es ¿cómo
superamos esta dificultad?.
La respuesta... Usando
Física Cuántica!!.
Miremos como se
comporta un electrón, usando el famoso experimento de las ranuras.
Supongamos que tenemos
una pistola que dispara pequeñas pelotitas, (balas, canicas,
bolitas) y disparamos estas partículas a una pantalla, poniendo dos
ranuras en el camino (Fig 1). Podemos observar al resultado de como
se distribuyen al pasar por las rendijas. Es bastante claro que las
pelotitas pasan por una rendija en particular, y dejan su marca justo
detrás de la rendija por la cual pasaron. Un electrón, sometido al
mismo experimento, produce algo totalmente inesperado. El electrón
produce un patrón de interferencia, exactamente igual al patrón
que produce una onda al pasar por dos ranuras (Fig 1b y 2).
Esto es realmente
sorprendente, ya que el electrón es una partícula, pero se comporta
a veces como onda. Las ondas al pasar por las rendijas, se difractan
y producen patrones de interferencia, donde los máximos de distintas
ondas se suman, y crean puntos más brillantes, y donde valles de unas
ondas, con crestas de otras se anulan, para crear lugares donde no
hay intensidad. Esto se pone aun más interesante; si uno quiere saber
en verdad por donde pasó el electrón, se puede poner un aparato,
digamos entre la rejilla derecha y la pantalla, que indique si el
electrón paso por ahí. Al hacer esto, y observar el resultado en la
pantalla, el electrón produce un patrón de interferencia COMO SI
FUERA UNA PARTÍCULA!!. Esto es, el mero acto de observar, cambia el
estado del electrón. Este fenómeno se conoce como Colapso de la función de onda (ver nota al final del texto), y el hecho de que el electrón se comporte como una
partícula y una onda, se conoce como la dualidad onda-partícula.
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| Figura 1 a) Patrón dejado por partículas en la pantalla. b) Patron dejado por electrones en la pantalla. (Adaptado desde Scienceblog.org y Blacklightpower.com) |
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| Figura 2. Patrón de interferencia de una onda pasando a través de una barrera con dos rendijas. El color azul representa las crestas de las ondas, mientras que el verde representa los valles. |
En el experimento de las
dos rendijas, podemos pensar que el electrón pasa por ambas
rendijas, comportándose como una onda. Ahora, podemos preguntarnos,
qué pasa si en vez de dos rendijas, pongo cuatro?. La respuesta es,
el electrón pasará por las cuatro rendijas simultáneamente.
Podemos repetir la lógica, aumentando el número de rendijas. Pero
esto nos lleva a la siguiente idea. Cuando el número de rendijas es
muy grande tendiendo a infinito, es lo mismo que no tener ninguna
barrera!. Esto significa que el electrón en su viaje, recorre todos
los posibles caminos entre dos puntos.
La física cuántica se funda en estos dos principios. Y por supuesto conlleva grandes preguntas. ¿Donde va la información que se pierde luego del colapso de la función de onda? ¿Es posible la determinación de el estado de un sistema incluso teniendo toda la información sobre el?.
Esta extraña característica de la materia (hemos hablado de electrones, pero la Física cuántica predice que TODAS las cosas se comportan como onda, con una longitud de onda inversamente proporcional a la masa y la velocidad que posean**), es la pieza fundamental que nos permitiría tratar problemas complejos, tipo NP, abriendo infinitas posibilidades!.
¿Quieres saber como?
Te espero en una próxima entrega del tocino.
* Cuático acá lo usamos como sinónimo de Extraño.
**Esta relación se llama la ecuación de de Broglie, y relaciona la longitud de onda de cualquier objeto L, con su momentum p, de la forma L=h/p, donde h es la constante de Planck.
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Colapso de la función de onda
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La función de onda es un objeto que describe la probabilidad de que el electrón se encuentre en cierta región del espacio. Esta interpretación funciona perfectamente y ha sido corroborada muchas veces en experimentos, pero conlleva ciertos problemas filosóficos. Uno de ellos es el siguiente. Al medir digamos la posición de un electrón, obtenemos un número definido. Al volver a medir el mismo electrón, obtenemos el mismo número. Esto significa que la función de onda de ese electrón es definida. Ahora si preparamos otro electrón en el mismo experimento, y medimos su posición, obtendremos otro número. Si hacemos este experimento muchas veces, obtendremos un patrón, que es descrito por la función de onda. Entonces, al medir un electrón, la función de onda cambia. Antes de la medición, la función de onda posee toda la información de las distintas probabilidades. Después de la medición la función de onda solo posee la información relacionada con la medición hecha. Esto se conoce como colapso de la función de onda.
El colapso de la función de onda es un postulado matemático bien
definido, pero cuya interpretación es aun diversa. Los padres de la
Mecánica cuántica (QM) pensaban que el colapso se debía a la presencia
de una conciencia, que observaba las medidas. Esta interpretación ya no
tiene mucha aceptación entre los físicos. Pero la duda queda, ¿es la
función de onda una descripción de la realidad?, y si lo es, entonces,
¿qué significa medir?, ¿por que hay una base privilegiada donde la
función de onda colapsa?. Mas aún, uno podría abandonar la posición
determinista, y decir, ok, QM es diferente al determinismo del mundo
clásico, pero entonces, ¿donde está la barrera entre lo cuántico y lo
clásico?, ¿pueden existir estados macroscópicos que sean cuánticos?,
Estas preguntas ganan relevancia cuando se pueden hacer experimentos, no
ya con un par de átomos, pero con sistemas del orden de milímetros,
donde se pueden observar fenómenos cuánticos!!
