La física cuántica es extraña. Contraria a nuestra intuición. Aquí reside, precisamente, su dificultad. Sin embargo, los fenómenos que contiene son extraordinariamente fascinantes. El fenómeno cuántico que conocemos como ‘dualidad onda-partícula’ identifica la naturaleza ondulatoria de la luz, y, al mismo tiempo, la doble manifestación de los fotones y otras partículas subatómicas como ondas y partículas. Este es sin duda uno de los mecanismos más exóticos de la mecánica cuántica, pero el entrelazamiento es si cabe incluso más sorprendente.
Este fenómeno no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo. Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa. Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del universo.
Estos dos mecanismos no son más que un aperitivo del fenómeno cuántico en el que estamos a punto de indagar. Y es que es incluso más perturbador que la ‘dualidad onda-partícula’ o el entrelazamiento cuántico. Nuestro punto de partida es un sorprendente experimento realizado por un grupo de investigadores de la Universidad de Toronto (Canadá) liderado por la física Daniela Angulo. Lo que han observado es que los fotones pueden pasar una cantidad negativa de tiempo atravesando una nube de átomos a muy baja temperatura. Esto significa, sencillamente, que parecen salir de un material antes de haber entrado en él.
La idea de tiempo negativo es contraria a nuestra intuición
El germen de este experimento surgió en 2017. Dos físicos experimentales de la Universidad de Toronto, Aephraim Steinberg y Josiah Sinclair, estaban interesados en estudiar la interacción que se produce entre la materia y la luz, y decidieron abordar su proyecto analizando un fenómeno conocido como excitación atómica. Consiste, a grandes rasgos, en el hecho de que cuando los fotones atraviesan un medio y son absorbidos, los electrones que giran alrededor de los átomos en ese medio saltan a niveles de energía más altos.
Estos físicos se propusieron medir con la máxima precisión posible ese retraso temporal y averiguar si depende del destino de cada fotón en particular
Lo curioso es que cuando los electrones que han sido previamente excitados vuelven a su estado original liberan la energía que han absorbido en forma de fotones. Y, sorprendentemente, este mecanismo introduce un retraso en el tiempo invertido por la luz en atravesar el medio. Estos físicos se propusieron medir con la máxima precisión posible ese retraso temporal y averiguar si depende del destino de cada fotón en particular. «En ese momento no estábamos seguros de cuál era la respuesta, pero creíamos que una pregunta tan básica acerca de algo tan fundamental debería resultar fácil de responder», confiesa Josiah Sinclair.
Después de tres años de planificación este equipo de investigadores diseñó un dispositivo que debería permitirles tomar las medidas que tenían en mente con mucha precisión. Su plan consistía en disparar fotones a través de una nube de átomos ultrafríos de rubidio y medir justo a continuación su excitación atómica. Lo más impactante es que después de llevar a cabo su experimento se llevaron dos sorpresas. La primera fue que los fotones a veces atravesaban la nube sin problema, pero los átomos de rubidio se excitaban como si hubiesen absorbido esos fotones.
Pero lo más extraño era que cuando los fotones eran absorbidos parecían ser reemitidos de forma instantánea y mucho antes de que los átomos de rubidio recuperasen su estado inicial. Parecía que los fotones en promedio estaban saliendo de los átomos más rápido de lo esperado. Después de consultar este resultado con Howard Wiseman, un físico teórico y cuántico de la Universidad de Griffith (Australia), estos investigadores llegaron a la conclusión de que el tiempo que los fotones transmitidos pasaron en estado de excitación atómica coincidía exactamente con el retraso adquirido por la luz. Curiosamente esto sucedía incluso si los fotones eran reemitidos antes de que la excitación atómica hubiese disminuido.
«Un retraso temporal negativo puede resultar paradójico, pero significa que si construyes un reloj cuántico para medir cuánto tiempo pasan los átomos en estado excitado la manecilla del reloj, en determinadas circunstancias, se moverá hacia atrás en lugar de hacia delante», explica Sinclair. Esto significa, sencillamente, que en este escenario el tiempo en el que los fotones fueron absorbidos por los átomos es negativo. Este fenómeno no tiene a priori ningún impacto en nuestra percepción del tiempo, pero nos recuerda lo extraños que son los mecanismos cuánticos. El artículo de estos físicos todavía no ha sido revisado por pares, pero está disponible en el repositorio de acceso abierto arXiv. Si queréis indagar un poco más en este experimento os sugiero que le echéis un vistazo. Merece mucho la pena.
Imagen | Pixabay
Más información | arXiv
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