Virus en superposicion cuántica

Ya hemos hablado en más de una ocasión del conspicuo experimento mental del gato de Schrödinger, ejemplo paradigmático de los quebraderos de cabeza que conlleva tener objetos macroscópicos en estados de superposición cuántica, tanto más si estos objetos son seres vivos. Aunque este experimento da mucho juego, el análisis del mismo ha sido básicamente un ejercicio conceptual. Al menos hasta el momento, ya que en los últimos tiempos se están poniendo las bases para llegar a analizar de manera práctica las implicaciones de este tipo de experimentos. La clave de esto está en el área de la denominada optomecánica cuántica de cavidades.

NCCR Quantum Photonics

Imaginemos una microcavidad de apenas unas pocas micras de espesor y cuyas paredes internas son reflectantes. Si un haz de luz coherente empieza a rebotar en el interior de dicha cavidad se empezarán a producir interferencias, y determinadas longitudes de onda se verán reforzadas dependiendo de la frecuencia de resonancia de la cavidad. La presión de radiación resultante puede ejercer un impulso mecánico sobre un dispositivo apropiado. Si el dispositivo se diseña de manera adecuada, el objeto mecánico puede a su vez modificar la frecuencia de resonancia y por consiguiente la presión de radiación, eventualmente dando lugar a un acoplamiento optomecánico. Los esfuerzos de los investigadores se centran en alcanzar el estado estacionario del movimiento mecánico.

Oriol Romero-Isart et al. - arXiv:0909.1469

Lo relevante de lo anterior es que es posible diseñar un experimento en el que el dispositivo mecánico es un objeto dieléctrico levitando dentro de la cavidad. Al no tener unión a otros objetos mecánicos, se supone que debería ser más fácil llegar al estado estacionario, y luego hacer que el movimiento del centro de masas del objeto esté en estado de superposición cuántica. El toque final lo proponen investigadores españoles y alemanes en un trabajo que acaba de aparecer en arxiv. El título del mismo es

• Towards Quantum Superposition of Living Organisms

y en el sugieren el uso de virus en un experimento como el descrito. El virus de la gripe común -por ejemplo- tiene un tamaño de unos 100 nm, comparable a las longitudes de onda de los láseres considerados en los experimentos. Más aún, los virus tienen una gran resistencia a las condiciones de vacío necesarias para el experimento, tienen propiedades dieléctricas, y ofrecen una ventana de transparencia a los haces de luz que evita el calentamiento del sistema.

Oriol Romero-Isart et al. - arXiv:0909.1469

Yendo un paso más allá, el experimento podría llegar a realizarse en el futuro con tardígrados, los famosos osos de agua que ocuparon un lugar destacado en los medios debido a su resistencia a las condiciones de vacío. Según los autores del trabajo este tipo de experimentos constituirán un primer paso para la compresión de cuestiones fundamentales tales como el rol de la consciencia en la mecánica cuántica.

Los incidentes del LHC y la inmortalidad cuántica

Observación y función de onda son dos de los elementos de más sinuosa interpretación ontológica en el ámbito de la mecánica cuántica, y sobre los que el debate filosófico no cesa. Son múltiples los experimentos mentales concebidos a colación de la traslación a nivel macroscópico de fenómenos cuánticos en los que los citados conceptos juegan un papel central. El gato de Schrödinger es posiblemente el más conocido a nivel popular, y sobre la base del mismo se han construido escenarios más complejos en los que la participación de observadores adicionales pone a prueba la sutileza de los conceptos mencionados. Por ejemplo, ya comentamos hace tiempo el experimento del amigo de Wigner, una especie de versión matrioshka del gato de Schrödinger en el que se construye una cadena de observadores conscientes en cajas concéntricas, y que pone el acento en la relación entre consciencia y observación. Otro experimento relacionado con este extremo es el denominado suicidio cuántico.

El experimento del gato de Schrödinger

La disposición de este experimento puede variar, pero para simplificar podemos imaginarnos que sustituimos al gato de Schrödinger por el propio Schrödinger, y que observamos el experimento desde su punto de vista. Supongamos por ejemplo que lo que hace Schrödinger es activar un dispositivo que incorpora un generador cuántico de números aleatorios que provocará o no el disparo de un cierto dispositivo letal incluido en la caja. El bueno de Schrödinger tiene una cierta probabilidad de sobrevivir, pero si repite el experimento una y otra vez la ruleta cuántica terminará por tocarle y su existencia tocará a su fin… o no. Y es que de acuerdo con la interpretación de los múltiples universos, cada vez que se activa el dispositivo se produce una ramificación en un universo en el que Schrödinger muere y otro en el que sobrevive. Es únicamente en este segundo universo en el que Schrödinger puede jugar de nuevo, y en el que se produce una nueva bifurcación. Eso quiere decir que existe un universo en el que –para incredulidad de Schrödinger, que llegará a sentirse invulnerable– siempre sobrevive. En este caso se puede hablar apropiadamente de inmortalidad cuántica. Nótese la reminiscencia antrópica del experimento, ya que el razonamiento sobre la propia existencia requiere que se sobreviva al experimento.

Credit: Ecuador Ciencia

Viene todo esto a cuento de un comentario en Accelerating Future acerca de los nuevos problemas detectados en el LHC y que una vez más provocan un retraso en su puesta en funcionamiento. Concretamente, en esta ocasión se han detectado dos fugas entre el circuito de helio y el aislamiento de vacío, lo que en principio provocará que el reinicio del LHC no se produzca hasta mediados de noviembre. Recordemos que este es el tercer incidente serio que afecta a la fecha de entrada en estado operacional del LHC, tras la explosión de la envoltura criostática de uno de los gigantescos imanes cruadrupolos el 27 de marzo de 2007, y de un escape masivo de helio líquido el 19 de septiembre de 2008. Estos incidentes en modo alguno comprometen la seguridad del LHC, y de hecho no tienen nada que ver con los hipotéticos riesgos existenciales (e.g., creación de microagujeros negros estables, materia extraña, etc.) del mismo, cuidadosamente estudiados y descartados. No obstante, si hay alguien que aún abriga algún temor (o está deseando hacerlo), aquí puede encontrar una fuente adicional de inquietud: si el LHC fuera un dispositivo que desencadenara el Apocalipsis una vez activado, y de ser correcta la interpretación de los múltiples universos de la mecánica cuántica, estaríamos en la misma disposición que Schrödinger en el experimento del suicidio cuántico. Existiría entonces un universo en el que veríamos que el LHC fallaría persistentemente (en los universos en los que no fallara cesaría nuestra existencia). La ocurrencia de nuevos incidentes -tanto más si estos son cada vez más improbables- que continuaran retrasando la plena operatividad del LHC podría hacer que alguien se planteara si no estamos en la línea de universo “afortunada” (eso, y que los ingenieros del CERN serían como los mecánicos de Fernando Alonso, claro).

Si alguien ha llegado a inquietarse realmente con lo anterior, puede reconfortarse en el hecho de que está sujeto a la interpretación de los múltiples universos, de que lo acontecido hasta ahora no entra dentro de lo excepcional, y de que la puesta en marcha del LHC está prevista para otoño de este año, por lo que en el peor caso tenemos todo el verano por delante.

Lecciones de Richard Feynman sobre mecánica cuántica

«Creo que puedo afirmar con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica»
Richard P. Feynman (1918-1988), físico estadounidense

Hace cosa de año y medio me hacía eco de la disponibilidad en Google Video de 46 vídeos de Richard Feynman correspondientes a 4 lecciones que impartió en la Universidad de Auckland, Nueva Zelanda, en 1979 dentro del Memorial Douglas Robb. Lamentablemente dichos vídeos desaparecieron de Google al poco tiempo. Sin embargo, acabo de comprobar que una nueva versión de estas lecciones ha vuelto a aparecer hace apenas 3 meses. Se trata en este caso de cuatro únicos vídeos de una duración de entre 1h 18m y 1h 40m en los que el incomparable Feynman diserta sobre mecánica cuántica.

Los vídeos son los siguientes:

1. Photons – Corpuscles of Light (1h 17m 57s)
2. Fits of Reflection and Transmission – Quantum Behaviour (1h 38m 50s)
3. Electrons and their Interactions (1h 40m 20s)
4. New Queries (1h 33m 22s)

Quizás Feynman jugaba a provocador con la frase mencionada anteriormente, pero como también él mismo dijo, es precisamente de las cosas sobre las que nadie sabe nada de las que se puede conversar.

El amigo de Wigner y los misterios de la mecánica cuántica

Eugene Paul Wigner (1902-1995)

«La física se está volviendo terriblemente compleja, tanto que para cuando un físico aprende lo suficiente para comprender la naturaleza de los problemas ya es demasiado viejo para solucionarlos.«

Eugene Wigner, físico y matemático húngaro

Eugene P. Wigner fue un físico y matemático de origen húngaro, fundamentalmente conocido por su investigación en el área de la mecánica cuántica y la física nuclear, la cual le valdría en 1963 el Premio Nobel de física. Científico de enorme talento, realizó también incursiones en un campo de índole más filosófica en relación a la interpretación de la mecánica cuántica como descripción de la realidad física, y más concretamente del papel que un observador consciente juega en el modelado de dicha realidad.

A grandes rasgos, un sistema se describe mecanico-cuánticamente mediante una función de onda que evoluciona en el tiempo y que contiene nuestro conocimiento sobre el mismo y los estados en los que puede encontrarse. A nivel macroscópico esta descripción no es determinista, ya que a partir de la función de onda sólo pueden determinarse probabilidades de cada uno de los estados del sistema. En un nivel práctico, el proceso de observación de dicho estado constituye una medida del sistema, y si se repite un gran número de veces la distribución de probabilidad de los resultados tenderá a reproducir la predicción de la función de onda. Existen en cualquier caso un número de cuestiones de fondo de naturaleza ontológica, tales como por ejemplo la realidad física de la función de onda, o el significado preciso de medida u observación.

Desde el punto de vista más clásico, la interpretación de Copenhague sugiere que la función de onda no es más que una construcción matemática sin naturaleza real, y que el proceso de medida resulta en un colapso de dicha función, obteniéndose un resultado de la observación de acuerdo con las probabilidades indicadas por la función de onda. Un punto de vista diametralmente opuesto, la interpretación de los múltiples universos, se basa en la idea de decoherencia cuántica, y sugiere que cuando la interacción de un sistema con su entorno alcanza un estado irreversible (diferentes partes de la función de onda del sistema se entrelazan con la función de onda del entorno de manera que no pueden seguir interfiriéndose), se produce una ramificación en universos alternativos en los que la función de onda parece haber colapsado a cada uno de los posibles resultados de la interacción. Ambas interpretaciones –la de Copenhague y la de los múltiples universos– tienen a su vez diferentes variantes (véase también el apunte de Pedro J. en relación a estos aspectos).

El experimento del gato de Schrödinger

Interpretaciones como la de los múltiples universos simplifican la cuestión del proceso de medida, en particular en relación a la participación de un observador consciente, aunque la divergencia de un número potencialmente infinito de universos pueda parecer una solución poco económica. Por otra parte, la interpretación de Copenhague adolece de la vaguedad de la noción de medida, y es precisamente en este contexto en el que Eugene Wigner propuso el experimento mental conocido como el “amigo de Wigner”. Este experimento es una extensión del conspicuo experimento del gato de Schrödinger, y en él suponemos que la celda del gato está dentro de una celda mayor en la que hay otro científico que participa en el experimento (además de Wigner que permanece en el laboratorio fuera de ambas cajas). De acuerdo con la interpretación de Copenhague del experimento clásico, el gato esta en un estado de superposición vivo/muerto hasta que el observador abre la caja y comprueba su contenido. En el experimento de Wigner se procede del mismo modo, pero dado que el amigo de Wigner está a su vez dentro de una caja, el primero no sabe qué es lo que este último ha observado hasta que él mismo abra la celda y le pregunte. La cuestión es: ¿está el gato en un estado macroscópicamente definido una vez que el primer observador abre la caja, o sólo cuando Wigner descubre el resultado final? De asumir que no lo está en el momento en el que el amigo de Wigner abre la caja del gato, sino que se produce una superposición “gato vivo-amigo feliz”/“gato muerto-amigo triste”, podemos aplicar el mismo razonamiento a Wigner con relación a un tercer observador, y así sucesivamente. Se ha producido una catástrofe de von Neumann que sólo se puede solventar si se asume que fue el primer observador consciente el que hizo que la función de onda colapsara.

Nuevamente, la interpretación de los múltiples universos elimina esta aparente necesidad de un observador consciente, pero no es la única. Por ejemplo, teorías de colapso objetivo, e.g., la abogada por Roger Penrose, simplifican la cuestión: tan pronto como la superposición de estados alcanza una complejidad crítica se produce el colapso de manera espontánea. Ambas interpretaciones resultan satisfactorias, partiendo por supuesto de la base que el observador consciente no ha de tener ningún papel especial, lo cual parece bastante razonable. Como dijo Einstein, “¿de veras piensas que la Luna no está cuando no la miras?”