Por lo general, se cree que una medición cuántica afecta al objeto medido: pasa de un estado indefinido a uno determinado, como en la física cuántica una superposición de estados "colapsa" en un solo estado propio. Sin embargo, pocas personas piensan en el hecho de que la medición también puede destruir la información cuántica.
Imagínese en la piel de un científico que intenta comprender la realidad a un nivel fundamental. ¿Cómo afrontaría este problema? Estaría tratando de descomponer la materia en pequeños componentes que son más fáciles de estudiar. Diseñaría experimentos para probar y medir las propiedades de estas diminutas partículas subatómicas en varios estados. Si fueras realmente inteligente, tratarías de usar las propiedades que midiste para comprender las leyes del universo.
Bien podría decidir que con suficientes mediciones, o suficientes experimentos, puede averiguar lo que quiera sobre cualquier partícula (o grupo de partículas) en todo el universo. Expectativas similares eran comunes entre los científicos a principios del siglo XX. Pero resultó que el universo cuántico tiene otras propuestas para nosotros. Ciertas mediciones niegan completamente la información que recibió en mediciones anteriores. Aparentemente, el acto de medir destruye la información. Y así fue como nos enteramos.
Ciertas operaciones matemáticas, como la suma o la multiplicación, no dependen del orden de las acciones, son conmutativas. Si el orden de las operaciones es importante y el resultado depende de él, las operaciones se denominan no conmutativas. En el mundo de la física, esto es muy importante.
En teoría, la historia comienza con una simple idea matemática: el concepto de conmutatividad. La conmutatividad es cuando puede reorganizar partes en lugares sin cambiar el resultado. La suma es conmutativa: 2 + 3 = 3 + 2. Lo mismo es cierto para la multiplicación: 2 × 3 = 3 × 2. La resta no es conmutativa: 2 - 3 ≠ 3 - 2; debe agregar un signo menos a la derecha para que la expresión se convierta en verdadera. La división tampoco es conmutativa, y con ella todo es un poco más complicado: 2 ÷ 3 ≠ 3 ÷ 2; una de las partes debe estar invertida para que sea igual a la otra.
En física, la conmutabilidad se refiere no solo a las operaciones matemáticas, sino también a la manipulación o medición física. Un ejemplo sencillo: rotaciones. Podemos tomar un objeto que sea diferente en las tres dimensiones, por ejemplo, un teléfono celular, y hacer dos rotaciones una tras otra:
- sosteniendo el objeto frente a usted, gírelo 90 ° en sentido antihorario en relación con el eje dirigido hacia usted;
- Gire el mismo objeto 90 ° en el sentido de las agujas del reloj alrededor del eje vertical.
Puede sorprender a algunos que el orden en el que se realizan estos giros sea importante.
El teléfono anterior del autor, de la era anterior a los teléfonos inteligentes, ilustra la no conmutatividad de las rotaciones en el espacio tridimensional. Las filas superior e inferior, de izquierda a derecha, comienzan en la misma posición. En la parte superior, siguiendo una rotación de 90 ° en sentido antihorario en el plano de la fotografía, sigue una rotación de 90 ° en el sentido de las agujas del reloj alrededor del eje vertical. En la parte inferior, se realizan los mismos dos giros en un orden diferente. La no conmutatividad de las rotaciones es obvia.
La idea de no conmutatividad aparece incluso en el mundo de la física clásica, pero su aplicación más famosa se relaciona con el mundo cuántico en la forma del principio de incertidumbre de Heisenberg.... En nuestro mundo clásico, podemos medir muchas propiedades de un objeto en un momento dado. Coloque un objeto en la balanza y mida su masa [peso / aprox. por.]. Adjunte un sensor de movimiento y mida su impulso. Dispárelo con un láser y mida su ubicación. Envíalo al calorímetro y mide su energía. Inicie el temporizador mientras el objeto se tambalea y obtenga el período de oscilación.
En el universo cuántico, muchas de estas medidas son válidas, pero solo en el momento en que las haces, y no para siempre. El punto es que ciertas propiedades cuánticas que puede medir (pares de cantidades llamadas variables conjugadas) están relacionadas entre sí. Si mide el impulso con cierta precisión, no puede conocer la ubicación de una partícula con mayor precisión que con un cierto error, incluso si previamente midió esta ubicación con mucha más precisión.
La incertidumbre inherente del mundo cuántico entre la ubicación y el impulso. Cuanto mejor sepa la ubicación de una partícula, menos conocerá su impulso, y viceversa. La ubicación y el impulso se describen mejor mediante una función de onda probabilística en lugar de un valor único.
A muchos les ha resultado difícil aceptar el principio de incertidumbre y, sin embargo, el universo parece apoyarlo. También se aplica a otros pares de variables conjugadas:
- ubicación (Δx) y momento (Δp),
- energía (ΔE) y tiempo (Δt),
- potencial eléctrico, o voltaje (Δφ) y carga eléctrica gratuita (Δq),
- momento angular (ΔL) y orientación, o posición angular (Δθ).
Sin embargo, si realmente necesita demostrar una necesidad física, debe obtener evidencia experimental que la respalde. No es suficiente decir simplemente "No sé qué tan precisas son mis medidas". Debe encontrar una manera de demostrar que la información que recibió en mediciones anteriores con cierta precisión fue destruida por mediciones posteriores.
Y en 1921, al físico Otto Stern se le ocurrió una forma ingeniosa de probar esto.
Las partículas individuales y compuestas pueden tener un momento angular orbital e intrínseco (espín). Cuando estas partículas tienen una carga eléctrica intrínseca o intrínseca, aparece un momento magnético que hace que se desvíen una cierta cantidad en presencia de un campo magnético.
Digamos que tiene una partícula cuántica: un electrón, un protón, un núcleo compuesto (un objeto que consta de protones y neutrones ligados) o incluso un átomo neutro con un núcleo y electrones girando alrededor. Tal objeto tiene varias propiedades cuánticas inherentes a él: masa, carga eléctrica, etc. En teoría, también debería tener un momento angular, no solo debido al hecho de que gira alrededor de otras partículas (u otras partículas giran a su alrededor), sino también un momento angular interno inherente. Esta propiedad cuántica de un objeto se llama spin [girar (inglés) - rotar / aprox. per.], por analogía con una parte superior que gira alrededor de su propio eje.
Si imagina una peonza, inmediatamente puede pensar en dos formas de rotarla:
- en el sentido de las agujas del reloj alrededor del eje vertical,
- o en sentido antihorario.
Viviendo en un mundo sin gravedad (y sin direcciones preferidas, cuyo papel, en nuestro caso, lo juega la dirección al centro de la Tierra), uno podría imaginar su rotación en sentido horario o antihorario alrededor de cualquier eje en las tres dimensiones. Esta es nuestra premisa: la idea de que las partículas tienen un giro, un momento angular interno. Aunque en 1921 todavía quedaban varios años antes de que George Eugene Uhlenbeck y Samuel Abraham Goudsmit formularan su hipótesis del espín del electrón, esta idea todavía estaba presente en la "vieja teoría cuántica" de Bohr y Sommerfeld.
La trayectoria de una partícula cuántica giratoria que pasa a través de un campo magnético se ve afectada por su momento magnético asociado con su giro. En teoría cuántica, esto significa que el espín debe ser discreto.
¿Cómo medir el espín de las partículas cuánticas? ¿Cómo determinar si el espín es una cantidad continua que puede tomar cualquier valor a la manera de los parámetros clásicos, o es inherentemente cuántico y discreto?
Stern supuso que si tomamos un campo magnético perpendicular a la dirección de movimiento de una partícula cargada con espín, el campo actuará sobre la trayectoria del movimiento de acuerdo con el momento magnético asociado con el espín. Una partícula sin giro no se verá afectada, pero una partícula con giro se desviará en la dirección del campo magnético.
Si el espín es discreto, es decir, cuantificado, todas las partículas que se mueven a la misma velocidad deben estar en el mismo lugar. Si el giro es clásico y continuo, las partículas pueden estar en cualquier lugar.
Un haz de partículas que pasa a través de un imán puede dar resultados cuánticos / discretos (5) para el momento angular de las partículas, o clásico / continuo (4). El experimento de Stern-Gerlach ha demostrado la existencia de varios fenómenos cuánticos importantes.
En 1922, el físico Walter Gerlachorganizó una prueba de las ideas de Stern desarrollando un experimento. Gerlach comenzó con un electroimán a través del cual viaja un rayo de átomos de plata, que puede acelerarse fácilmente a la misma velocidad. Cuando se apagó el electroimán, todos los átomos de plata golpearon el mismo punto del detector en el otro lado del imán. Cuando se encendió el imán, el rayo se dividió en dos partes: la mitad de los átomos cambiaron su trayectoria, desviándose en una dirección y la mitad en la otra. Hoy se sabe que este comportamiento corresponde a la presencia de espines +1/2 y -1/2 dirigidos en paralelo o antiparalelo a las líneas del campo magnético.
Este primer experimento fue suficiente para demostrar la existencia de espín, que se cuantifica en valores discretos. Sin embargo, se demostró además la capacidad de la mecánica cuántica para destruir información obtenida previamente. Cuando los átomos de plata pasan a través del aparato de Stern-Gerlach con el campo magnético encendido, el haz de átomos se divide en dos, de acuerdo con los giros de las partículas.
De acuerdo, ¿qué pasa si pasamos una de las mitades del haz a través de otro aparato de Stern-Gerlach?
Si dispara partículas a través del aparato de Stern-Gerlach, el campo magnético dividirá su haz en dos partes, de acuerdo con las posibles opciones de giro. Si el segundo aparato de Stern-Gerlach se coloca en el camino de una de las mitades del haz, ya no se producirá la división, ya que esta propiedad cuántica de las partículas ya ha sido determinada.
La respuesta puede sorprenderte: todo depende de la dirección en la que esté orientado el imán. Si el primer aparato de Stern-Gerlach se orientó, digamos, a lo largo del eje x, entonces algunas de las partículas irán en la dirección + x, y otras, en la dirección –x. Concentrémonos en el primero. Si las pasa a través de un imán más, orientado a lo largo del eje x, las partículas no se separarán, todas permanecerán orientadas en la dirección + x.
Pero si orienta el segundo campo magnético a lo largo del eje y, el resultado puede sorprenderlo. Ahora el haz de partículas, inicialmente orientado en la dirección + x, se dividirá a lo largo del eje y: la mitad irá en la dirección + y y la otra en la dirección –y.
Luego llega el momento crítico: ¿qué pasa si nos concentramos solo en las partículas + y, y nuevamente las pasamos por un campo magnético orientado a lo largo del eje x?
Si pasa un conjunto de partículas a través del aparato de Stern-Gerlach una vez, se separarán de acuerdo con su giro. Si los pasa a través de un segundo imán perpendicular, se separan en una nueva dirección. Si usa un tercer imán paralelo al primero, se separarán nuevamente, lo que significa que la información previamente determinada se ha vuelto aleatoria nuevamente debido a la medición más reciente.
De nuevo, como la primera vez, se dividirán a lo largo de las direcciones + x y –x. Al pasarlos por el segundo imán, orientado perpendicularmente, has destruido la información obtenida en la primera medición. Hoy entendemos que las direcciones x, y y z no se conmutan entre sí. Una medición cuántica de una variable de un tipo destruye toda la información previa sobre sus variables conjugadas.
Varios aparatos sucesivos que dividen partículas cuánticas a lo largo de uno de los ejes de acuerdo con su giro las dividirán a lo largo de la perpendicular a la dirección anterior, pero no se dividirán en la misma dirección.
El experimento de Stern-Gerlach tiene una consecuencia duradera. En 1927, se demostró que la división ocurre incluso en los átomos de hidrógeno, lo que indica que tienen un momento magnético distinto de cero. Los núcleos atómicos tienen un momento angular cuántico inherente y también se fisionan en el aparato de Stern-Gerlach. Al cambiar el campo magnético con el tiempo, los científicos descubrieron cómo hacer que un momento magnético tome un estado u otro. Resultó posible inducir transiciones entre estados cambiando el campo en el tiempo. Este fue el nacimiento de la resonancia magnética, que ahora es omnipresente en las máquinas de resonancia magnética, y finalmente condujo al reloj atómico.
- . . . 1937 , , .
Parecería que el acto de medir y observar no debería influir en el resultado del experimento. La idea de que observar un sistema cambia sus propiedades parece absurda. Pero en el universo cuántico esto no solo sucede, sino que se demostró incluso antes de que la teoría estuviera completamente formada. La medición del giro de una partícula en una dirección destruye la información obtenida previamente sobre las otras dos direcciones. Incluso si los ha medido antes y los conoce con exactitud, la nueva dimensión básicamente borra (aleatoriza) cualquier información obtenida previamente.
A muchos físicos que han escuchado la famosa declaración de Einstein de que " Dios no juega a los dados con el Universo"Este experimento debe venir primero a la mente como un contraejemplo. No importa qué tan bien crea que comprende la realidad. No importa qué tan precisa y minuciosamente la mida de diferentes maneras. Cualquier medición inherentemente aleatoriza un fragmento de información. La nueva dimensión destruye la información anterior, todo lo que se necesita para probar esto es un imán y algunas partículas.