¿Puede una partícula estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo? En física cuántica, sí puede: la teoría cuántica permite que los objetos estén en diferentes estados al mismo tiempo, o más precisamente: en una superposición, combinando diferentes estados observables. Pero, ¿es realmente así? ¿Quizás la partícula esté en realidad en un estado muy específico, en una ubicación muy específica, pero no lo sabemos?
La cuestión de si el comportamiento de los objetos cuánticos puede explicarse mediante una teoría más simple y clásica ha sido debatida durante décadas. En 1985 se propuso una forma de medir esto: la llamada “desigualdad de Leggett-Garg”. Cualquier teoría que describa nuestro mundo sin la rareza de la teoría cuántica debe aceptar esta desigualdad. La teoría cuántica, por el contrario, viola esto. Por primera vez se han realizado mediciones con neutrones para investigar esta “desigualdad de Leggett-Garg” en la furgoneta TU, con un resultado claro: se viola la desigualdad de Leggett-Garg, lo que hace posible la explicación clásica. No, gana la teoría cuántica. . Los resultados ahora han sido publicados en la revista. cartas de examen fisico.
Realismo físico.
Normalmente damos por sentado que todo tiene determinadas propiedades: una bola está en una posición determinada, tiene una velocidad determinada, tal vez incluso una rotación determinada. No importa si vemos la pelota o no. Tiene estas características de manera bastante objetiva e independiente de nosotros. “Esta teoría se llama ‘realismo'”, afirma Stefan Sponar, del Instituto Atómico de la Universidad Técnica de Viena.
Sabemos por nuestra experiencia cotidiana que, especialmente los objetos macroscópicos grandes, deben obedecer esta regla. También sabemos que los objetos macroscópicos se pueden ver sin verse afectados significativamente. La medición no cambia fundamentalmente el estado. Estos supuestos se denominan colectivamente “realismo macroscópico”.
Sin embargo, la teoría cuántica tal como la conocemos hoy es una teoría que desafía este realismo macroscópico. Si para una partícula cuántica son posibles diferentes estados, como diferentes posiciones, velocidades o valores de energía, entonces también es posible cualquier combinación de estos estados. Al menos hasta que se mida esta condición. Durante la medición, la condición de superposición se destruye: la medición obliga a la partícula a decidirse a favor de uno de los valores posibles.
Desigualdad de Leggett Garg
Sin embargo, el mundo cuántico debe estar conectado lógicamente con el mundo macroscópico; después de todo, los objetos grandes están hechos de pequeñas partículas cuánticas. En principio, los principios de la teoría cuántica deberían aplicarse a todo.
Entonces la pregunta es: ¿Es posible observar comportamientos en objetos “más grandes” que no pueden conciliarse con nuestra imagen intuitiva de la realidad macroscópica? ¿Muestran incluso los objetos macroscópicos signos claros de propiedades cuánticas?
En 1985, los físicos Anthony James Leggett y Anupam Garg publicaron una fórmula con la que probar el realismo macroscópico: La desigualdad de Leggett-Garg. “La idea detrás de esto es similar a la más famosa desigualdad de Bell, por la que se concedió el Premio Nobel de Física en 2022”, afirma Elisabeth Kreuzgruber, primera autora del artículo. “Sin embargo, la desigualdad de Bell trata de la cuestión de qué tan fuertemente se relaciona el comportamiento de una partícula con el de otra partícula cuántica entrelazada. La desigualdad de Leggett-Garg trata sólo de una cosa y plantea esa pregunta: ¿Cómo se comporta su estado en niveles específicos? momentos en el tiempo se relacionan con el estado del mismo objeto en otros momentos específicos en el tiempo?”
Una correlación más fuerte que la que permite la física clásica.
Leggett y Garg supusieron que un objeto podía medirse en tres momentos diferentes, y que cada medición tenía dos resultados diferentes. Incluso si no sabemos nada sobre si el estado del objeto cambia con el tiempo o cómo, aún podemos analizar estadísticamente qué tan fuertemente se relacionan entre sí los resultados en diferentes momentos.
Se puede demostrar matemáticamente que la fuerza de estas correlaciones nunca puede exceder un cierto nivel, suponiendo que el realismo macroscópico sea cierto. Leggett y Garg pudieron establecer una desigualdad que siempre debe ser satisfecha por toda teoría realista macroscópica, independientemente de los detalles de la teoría.
Sin embargo, si el objeto obedece los principios de la teoría cuántica, debería haber una correlación estadística notablemente fuerte entre los resultados de la medición en tres momentos diferentes. Si un objeto se encuentra realmente en diferentes estados al mismo tiempo entre los tiempos de medición, esto conducirá, según Leggett y Garg, a una fuerte correlación entre las tres mediciones.
Haces de neutrones: objetos cuánticos del tamaño de un centímetro
“Sin embargo, investigar esta cuestión empíricamente no es tan fácil”, afirma Richard Wagner. “Si queremos probar el realismo macroscópico, necesitamos un objeto que sea macroscópico en cierto sentido, es decir, cuyo tamaño sea comparable al tamaño de nuestros objetos cotidianos”. Sin embargo, al mismo tiempo, debe ser un objeto que tenga el potencial de exhibir propiedades cuánticas.
“Los haces de neutrones, tal como los utilizamos en los interferómetros de neutrones, son perfectos para esto”, afirma Hartmit Lemmel, director del instrumento S18 en el Instituto Lau-Langeune (ILL) de Grenoble, donde se llevó a cabo el experimento. En el interferómetro de neutrones, un interferómetro de cristal perfecto de silicio que se utilizó con éxito por primera vez a principios de los años 1970 en el Instituto Nuclear de la Universidad Técnica de Viena, el haz de neutrones incidente se divide en dos haces componentes mediante una primera placa de cristal y luego se vuelve a unir a otra pieza. de silicio. . Por lo tanto, existen dos formas diferentes en que los neutrones pueden viajar desde la fuente hasta el detector.
“La teoría cuántica dice que cada neutrón viaja en ambas direcciones al mismo tiempo”, afirma Niels Garretts. “Sin embargo, los dos haces parciales están separados por varios centímetros. En cierto sentido, estamos ante un objeto cuántico que es muy grande según los estándares cuánticos”.
Utilizando una sofisticada combinación de múltiples mediciones de neutrones, el equipo de TU Viena pudo probar la desigualdad de Leggett-Garg… y el resultado fue claro: la desigualdad había sido violada. Los neutrones se comportan de maneras que no pueden explicarse mediante ninguna teoría macroscópicamente realista plausible. En realidad, viajan por dos caminos al mismo tiempo, están ubicados en diferentes lugares al mismo tiempo, separados por centímetros. Por tanto, se rechaza la idea de que “quizás el neutrón simplemente viaja por uno de dos caminos, pero no sabemos cuál”.
“Nuestro experimento demuestra que la naturaleza es realmente tan extraña como afirma la teoría cuántica”, afirma Stefan Spoonar. “No importa qué teoría clásica y macroscópicamente realista tengas: nunca explicará la realidad. No funciona sin la física cuántica”.
