Leyes de la física cuántica. ¡Física cuántica para tontos! Los mejores experimentos. Instrumentos de medición

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Según Owen Maroney, físico de la Universidad de Oxford, desde el advenimiento de la teoría cuántica en el siglo XX, todo el mundo ha estado hablando de la extrañeza de la teoría. Cómo permite que las partículas y los átomos se muevan en múltiples direcciones al mismo tiempo, o giren en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj al mismo tiempo. Pero las palabras no pueden probar nada. "Si le decimos al público que la teoría cuántica es muy extraña, necesitamos probar esta afirmación experimentalmente", dice Maroney. "De lo contrario, no estamos haciendo ciencia, sino hablando de todo tipo de garabatos en el tablero".

Esto es lo que dio a Maroney y sus colegas la idea de desarrollar una nueva serie de experimentos para descubrir la esencia de la función de onda, la entidad misteriosa que subyace a las rarezas cuánticas. Sobre el papel, la función de onda es simplemente un objeto matemático, denotado por la letra psi (Ψ) (uno de esos garabatos), y se utiliza para describir el comportamiento cuántico de las partículas. Dependiendo del experimento, la función de onda permite a los científicos calcular la probabilidad de ver un electrón en un lugar particular, o las posibilidades de que su espín esté orientado hacia arriba o hacia abajo. Pero las matemáticas no dicen qué es realmente una función de onda. ¿Es algo físico? ¿O simplemente una herramienta computacional para lidiar con la ignorancia del observador sobre el mundo real?

Las pruebas utilizadas para responder la pregunta son muy sutiles y aún no han producido una respuesta definitiva. Pero los investigadores son optimistas de que el fin está cerca. Y finalmente podrán responder las preguntas que han atormentado a todos durante décadas. ¿Puede realmente una partícula estar en muchos lugares al mismo tiempo? ¿Está el Universo constantemente dividido en mundos paralelos, cada uno de los cuales contiene una versión alternativa de nosotros? ¿Existe algo llamado “realidad objetiva”?

“Todo el mundo tiene preguntas como éstas, tarde o temprano”, afirma Alessandro Fedricci, físico de la Universidad de Queensland (Australia). “¿Qué es realmente real?”

Las disputas sobre la esencia de la realidad comenzaron cuando los físicos descubrieron que una onda y una partícula son solo dos caras de la misma moneda. Un ejemplo clásico es el experimento de la doble rendija, en el que se disparan electrones individuales hacia una barrera que tiene dos rendijas: el electrón se comporta como si pasara a través de dos rendijas al mismo tiempo, creando un patrón de interferencia rayado en el otro lado. En 1926, el físico austriaco Erwin Schrödinger ideó una función de onda para describir este comportamiento y derivó una ecuación que podía calcularse para cualquier situación. Pero ni él ni nadie pudo decir nada sobre la naturaleza de esta función.

Gracia en la ignorancia

Desde un punto de vista práctico, su naturaleza no es importante. La interpretación de Copenhague de la teoría cuántica, creada en la década de 1920 por Niels Bohr y Werner Heisenberg, utiliza la función de onda simplemente como una herramienta para predecir los resultados de las observaciones, sin tener que pensar en lo que está sucediendo en la realidad. "No se puede culpar a los físicos por este comportamiento de 'cállate y cuenta', porque ha llevado a avances significativos en la física nuclear, atómica, de estado sólido y de partículas", dice Jean Bricmont, físico estadístico de la Universidad Católica de Bélgica. . "Por eso se recomienda a la gente que no se preocupe por cuestiones fundamentales".

Pero algunos todavía están preocupados. En la década de 1930, Einstein había rechazado la interpretación de Copenhague, sobre todo porque permitía que dos partículas entrelazaran sus funciones de onda, lo que llevaba a una situación en la que las mediciones de una podían dar instantáneamente el estado de la otra, incluso si estaban separadas por distancias enormes. .distancias. Para no aceptar esta “aterradora interacción a distancia”, Einstein prefirió creer que las funciones de onda de las partículas estaban incompletas. Dijo que es posible que las partículas tengan algunas variables ocultas que determinan el resultado de una medición que no fueron notadas por la teoría cuántica.

Desde entonces, los experimentos han demostrado la funcionalidad de la interacción aterradora a distancia, lo que rechaza el concepto de variables ocultas. pero esto no impidió que otros físicos los interpretaran a su manera. Estas interpretaciones se dividen en dos campos. Algunos coinciden con Einstein en que la función de onda refleja nuestra ignorancia. Esto es lo que los filósofos llaman modelos psiepistémicos. Y otros ven la función de onda como algo real: los modelos psiónticos.

Para entender la diferencia, imaginemos el experimento mental de Schrödinger, que describió en una carta de 1935 a Einstein. El gato está en una caja de acero. La caja contiene una muestra de material radiactivo que tiene un 50% de posibilidades de liberar un producto de descomposición en una hora, y una máquina que envenenará al gato si se detecta este producto. Dado que la desintegración radiactiva es un evento de nivel cuántico, escribe Schrödinger, las reglas de la teoría cuántica dicen que al final de la hora la función de onda del interior de la caja debe ser una mezcla de un gato vivo y muerto.

"En términos generales", dice Fedricci suavemente, "en el modelo psi-epistémico, el gato en la caja está vivo o muerto, y simplemente no lo sabemos porque la caja está cerrada". Y en la mayoría de los modelos psiónicos hay acuerdo con la interpretación de Copenhague: hasta que el observador abra la caja, el gato estará vivo y muerto.

Pero aquí la disputa llega a un callejón sin salida. ¿Qué interpretación es verdadera? Esta pregunta es difícil de responder experimentalmente porque las diferencias entre los modelos son muy sutiles. Básicamente, se supone que predicen el mismo fenómeno cuántico que la muy exitosa interpretación de Copenhague. Andrew White, físico de la Universidad de Queensland, dice que durante sus 20 años de carrera en tecnología cuántica, "este problema era como una enorme montaña lisa, sin salientes a los que no pudieras acercarte".

Todo cambió en 2011, con la publicación del teorema de la medición cuántica, que parecía eliminar el enfoque de la “función de onda como ignorancia”. Pero tras un examen más detenido resultó que este teorema deja suficiente margen para su maniobra. Sin embargo, ha inspirado a los físicos a pensar seriamente en formas de resolver la disputa probando la realidad de la función de onda. Maroney ya había diseñado un experimento que en principio funcionó, y él y sus colegas pronto encontraron una manera de hacerlo funcionar en la práctica. El experimento fue llevado a cabo el año pasado por Fedrici, White y otros.

Para entender la idea de la prueba, imagina dos barajas de cartas. Uno sólo tiene rojos, el otro sólo ases. “Te dan una tarjeta y te piden que identifiques de qué mazo proviene”, dice Martin Ringbauer, físico de la misma universidad. Si es un as rojo, "habrá un cruce y no se puede saber con certeza". Pero si sabes cuántas cartas hay en cada mazo, puedes calcular con qué frecuencia surgirá esta situación ambigua.

Física en peligro

La misma ambigüedad ocurre en los sistemas cuánticos. No siempre es posible saber, por ejemplo, qué tan polarizado está un fotón con una sola medición. "En la vida real, es fácil distinguir entre el oeste y una dirección justo al sur del oeste, pero en los sistemas cuánticos no es tan fácil", dice White. Según la interpretación estándar de Copenhague, no tiene sentido preguntar sobre la polarización, ya que la pregunta no tiene respuesta, hasta que una medición más determine la respuesta exactamente. Pero según el modelo de función de onda como ignorancia, la pregunta tiene sentido: sólo que el experimento, como el de las barajas de cartas, carece de información. Al igual que con los mapas, es posible predecir cuántas situaciones ambiguas pueden explicarse mediante tal ignorancia y compararlas con el gran número de situaciones ambiguas resueltas por la teoría estándar.

Esto es exactamente lo que probaron Fedrici y su equipo. El equipo midió la polarización y otras propiedades en el haz de fotones y encontró niveles de intersección que no podían explicarse mediante modelos de "ignorancia". El resultado apoya una teoría alternativa: si existe la realidad objetiva, entonces existe la función de onda. "Es impresionante que el equipo haya podido resolver un problema tan complejo con un experimento tan sencillo", afirma Andrea Alberti, físico de la Universidad de Bonn, en Alemania.

La conclusión aún no está escrita en piedra: dado que los detectores sólo captaron una quinta parte de los fotones utilizados en la prueba, debemos suponer que los fotones perdidos se comportaron de la misma manera. Esta es una suposición sólida y el equipo ahora está trabajando para reducir las pérdidas y producir un resultado más definitivo. Mientras tanto, el equipo de Maroney en Oxford está trabajando con la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia para replicar el experimento con iones que sean más fáciles de rastrear. "En los próximos seis meses tendremos una versión concluyente de este experimento", afirma Maroney.

Pero incluso si tienen éxito y ganan los modelos de “función de onda como realidad”, estos modelos también tienen diferentes opciones. Los experimentadores deberán elegir uno de ellos.

Una de las primeras interpretaciones fue realizada en la década de 1920 por el francés Louis de Broglie y ampliada en la década de 1950 por el estadounidense David Bohm. Según los modelos de Broglie-Bohm, las partículas tienen una ubicación y propiedades específicas, pero son impulsadas por una determinada “onda piloto”, que se define como una función de onda. Esto explica el experimento de las dos rendijas, ya que la onda piloto puede atravesar ambas rendijas y producir un patrón de interferencia, aunque el propio electrón, atraído por ella, pasa sólo por una de las dos rendijas.

En 2005, este modelo recibió un apoyo inesperado. Los físicos Emmanuel Fort, actualmente en el Instituto Langevin de París, e Yves Caudier, de la Universidad Paris Diderot, plantearon a los estudiantes lo que pensaban que era un problema sencillo: montar un experimento en el que gotas de aceite que caían sobre una bandeja se fusionaban debido a las vibraciones del bandeja. Para sorpresa de todos, comenzaron a formarse ondas alrededor de las gotas a medida que la bandeja vibraba a cierta frecuencia. "Las gotas comenzaron a moverse de forma independiente sobre sus propias ondas", dice Fort. "Era un objeto dual: una partícula atraída por una onda".

Desde entonces, Forth y Caudier han demostrado que tales ondas pueden conducir sus partículas en un experimento de doble rendija exactamente como predice la teoría de la onda piloto, y pueden reproducir otros efectos cuánticos. Pero esto no prueba la existencia de ondas piloto en el mundo cuántico. "Nos dijeron que tales efectos eran imposibles en la física clásica", dice Fort. "Y aquí mostramos lo que es posible".

Otro conjunto de modelos basados ​​en la realidad, desarrollado en la década de 1980, intenta explicar las enormes diferencias en las propiedades entre objetos grandes y pequeños. “¿Por qué los electrones y los átomos pueden estar en dos lugares a la vez, pero las mesas, las sillas, las personas y los gatos no”, dice Angelo Basi, físico de la Universidad de Trieste (Italia). Conocidas como “modelos de colapso”, estas teorías dicen que las funciones de onda de partículas individuales son reales, pero pueden perder sus propiedades cuánticas y forzar a la partícula a adoptar una posición específica en el espacio. Los modelos están diseñados de modo que las posibilidades de que se produzca tal colapso sean extremadamente pequeñas para una partícula individual, de modo que los efectos cuánticos dominen a nivel atómico. Pero la probabilidad de colapso aumenta rápidamente a medida que las partículas se combinan y los objetos macroscópicos pierden por completo sus propiedades cuánticas y se comportan según las leyes de la física clásica.

Una forma de comprobarlo es buscar efectos cuánticos en objetos grandes. Si la teoría cuántica estándar es correcta, entonces no hay límite de tamaño. Y los físicos ya han realizado un experimento de doble rendija utilizando moléculas grandes. Pero si los modelos de colapso son correctos, entonces los efectos cuánticos no serán visibles por encima de una determinada masa. Diferentes grupos planean buscar esta masa utilizando átomos fríos, moléculas, grupos metálicos y nanopartículas. Esperan descubrir resultados en los próximos diez años. "Lo bueno de estos experimentos es que someteremos la teoría cuántica a pruebas rigurosas donde no se había probado antes", dice Maroney.

Mundos paralelos

Los escritores de ciencia ficción ya conocen y adoran un modelo de "función de onda como realidad". Esta es una interpretación de muchos mundos desarrollada en la década de 1950 por Hugh Everett, quien en ese momento era estudiante en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. En este modelo, la función de onda determina con tanta fuerza el desarrollo de la realidad que con cada medición cuántica el Universo se divide en mundos paralelos. En otras palabras, cuando abrimos una caja con un gato, damos origen a dos Universos: uno con un gato muerto y el otro con uno vivo.

Es difícil separar esta interpretación de la teoría cuántica estándar porque sus predicciones son las mismas. Pero el año pasado, Howard Wiseman de la Universidad Griffith de Brisbane y sus colegas propusieron un modelo comprobable del multiverso. No hay función de onda en su modelo: las partículas obedecen a la física clásica, las leyes de Newton. Y los extraños efectos del mundo cuántico aparecen porque existen fuerzas repulsivas entre las partículas y sus clones en universos paralelos. "La fuerza repulsiva entre ellos crea ondas que se extienden por los mundos paralelos", dice Wiseman.

Utilizando una simulación por computadora en la que interactuaron 41 universos, demostraron que el modelo reproduce aproximadamente varios efectos cuánticos, incluidas las trayectorias de las partículas en el experimento de la doble rendija. A medida que aumenta el número de mundos, el patrón de interferencia tiende al real. Dado que las predicciones de la teoría varían dependiendo del número de mundos, dice Wiseman, es posible comprobar si el modelo del multiverso es correcto, es decir, que no existe una función de onda y que la realidad opera según las leyes clásicas.

Dado que la función de onda no es necesaria en este modelo, seguirá siendo viable incluso si experimentos futuros descartan los modelos de "ignorancia". Además de esto, sobrevivirán otros modelos, por ejemplo, la interpretación de Copenhague, que sostiene que no existe una realidad objetiva, sino sólo cálculos.

Pero entonces, dice White, esta cuestión se convertirá en objeto de estudio. Y aunque todavía nadie sabe cómo hacerlo, “lo que sería realmente interesante es desarrollar una prueba que pruebe si tenemos siquiera una realidad objetiva”.

La ciencia

La física cuántica se ocupa del estudio del comportamiento de las cosas más pequeñas de nuestro universo: las partículas subatómicas. Se trata de una ciencia relativamente nueva, que sólo se convirtió en tal a principios del siglo XX, después de que los físicos se interesaran por la cuestión de por qué no podían explicar algunos de los efectos de la radiación. Uno de los innovadores de esa época, Max Planck, utilizó el término "cuantos" al estudiar partículas diminutas con energía, de ahí el nombre "física cuántica". Planck señaló que la cantidad de energía contenida en los electrones no es arbitraria, sino que corresponde a los estándares de energía "cuántica". Uno de los primeros resultados de la aplicación práctica de este conocimiento fue la invención del transistor.

A diferencia de las rígidas leyes de la física estándar, las reglas de la física cuántica se pueden violar. Justo cuando los científicos creen que se enfrentan a un aspecto del estudio de la materia y la energía, aparece un nuevo giro de los acontecimientos que les recuerda lo impredecible que puede ser el trabajo en este campo. Sin embargo, incluso si no comprenden completamente lo que está sucediendo, pueden utilizar los resultados de su trabajo para desarrollar nuevas tecnologías, que a veces pueden calificarse nada menos que de fantásticas.

En el futuro, la mecánica cuántica podría ayudar a preservar secretos militares, además de brindar seguridad y proteger su cuenta bancaria de los ladrones cibernéticos. Los científicos ahora están trabajando en computadoras cuánticas, cuyas capacidades van mucho más allá de las capacidades de una PC convencional. Dividido en partículas subatómicas, Los objetos se pueden mover fácilmente de un lugar a otro en un abrir y cerrar de ojos. Y tal vez la física cuántica pueda responder a la pregunta más intrigante sobre de qué está hecho el universo y cómo comenzó la vida.

A continuación se presentan datos sobre cómo la física cuántica puede cambiar el mundo. Como dijo Niels Bohr: “Quien no se sorprenda por la mecánica cuántica simplemente no ha entendido todavía cómo funciona”.

control de turbulencia

Pronto, quizás gracias a la física cuántica, será posible eliminar las zonas turbulentas que provocan que se derrame jugo en un avión. Al crear turbulencias cuánticas en átomos de gas ultrafríos en un laboratorio, los científicos brasileños podrían comprender las turbulencias que experimentan los aviones y los barcos. Durante siglos, las turbulencias han desconcertado a los científicos debido a la dificultad de reproducirlas en el laboratorio.

La turbulencia es causada por acumulaciones de gas o líquido, pero en la naturaleza parece formarse de forma aleatoria e inesperada. Aunque se pueden formar zonas turbulentas en el agua y el aire, los científicos han descubierto que también pueden formarse en átomos de gas ultrafríos o en helio superfluido. Al estudiar este fenómeno en condiciones controladas de laboratorio, algún día los científicos podrán predecir con precisión dónde se producirán zonas turbulentas y quizás controlarlas en la naturaleza.

Espintrónica

Un nuevo semiconductor magnético desarrollado en el MIT podría conducir a dispositivos electrónicos aún más rápidos y energéticamente eficientes en el futuro. Esta tecnología, denominada "espintrónica", utiliza el estado de espín de los electrones para transmitir y almacenar información. Mientras que los circuitos electrónicos convencionales sólo aprovechan el estado de carga del electrón, la espintrónica aprovecha la dirección de giro del electrón.

El procesamiento de información mediante circuitos espintrónicos permitirá que los datos se acumulen desde dos direcciones simultáneamente, lo que también reducirá el tamaño de los circuitos electrónicos. Este nuevo material introduce un electrón en un semiconductor en función de su orientación de espín. Los electrones pasan a través del semiconductor y quedan listos para ser detectores de espín en el lado de salida. Los científicos dicen que los nuevos semiconductores pueden funcionar a temperatura ambiente y son ópticamente transparentes, lo que significa que pueden funcionar con pantallas táctiles y paneles solares. También creen que ayudará a los inventores a crear dispositivos con aún más funciones.

Mundos paralelos

¿Alguna vez te has preguntado cómo serían nuestras vidas si tuviéramos la capacidad de viajar en el tiempo? ¿Matarías a Hitler? ¿O te unirías a las legiones romanas para ver el mundo antiguo? Sin embargo, mientras todos fantaseamos con lo que haríamos si pudiéramos retroceder en el tiempo, los científicos de la Universidad de California en Santa Bárbara ya están allanando el camino para restaurar los agravios de antaño.

En un experimento de 2010, los científicos pudieron demostrar que un objeto puede existir simultáneamente en dos mundos diferentes. Aislaron una pequeña pieza de metal y, en condiciones especiales, descubrieron que se movía y se detenía al mismo tiempo. Sin embargo, alguien puede considerar esta observación como un delirio causado por el exceso de trabajo, pero los físicos dicen que las observaciones del objeto realmente muestran que se divide en el Universo en dos partes: una de las cuales vemos y la otra no. Las teorías de los mundos paralelos dicen unánimemente que absolutamente cualquier objeto se desintegra.

Ahora los científicos están tratando de descubrir cómo "saltar" el momento del colapso y entrar en un mundo que no podemos ver. En teoría, este viaje a universos paralelos en el tiempo debería funcionar, ya que las partículas cuánticas avanzan y retroceden en el tiempo. Ahora, todo lo que los científicos tienen que hacer es construir una máquina del tiempo utilizando partículas cuánticas.

Puntos cuánticos

Pronto, los físicos cuánticos podrán ayudar a los médicos a detectar células cancerosas en el cuerpo y determinar dónde se han diseminado. Los científicos han descubierto que algunos pequeños cristales semiconductores, llamados puntos cuánticos, pueden brillar cuando se exponen a la luz ultravioleta, y también fueron fotografiados con un microscopio especial. Luego se combinaron con un material especial que resultaba “atractivo” para las células cancerosas. Cuando entraron en el cuerpo, los puntos cuánticos brillantes fueron atraídos por las células cancerosas, mostrando así a los médicos exactamente dónde buscar. El resplandor continúa durante bastante tiempo y para los científicos el proceso de ajustar los puntos a las características de un tipo específico de cáncer es relativamente sencillo.

Si bien la ciencia de alta tecnología es ciertamente responsable de muchos avances médicos, los seres humanos han dependido de muchos otros medios para combatir las enfermedades durante siglos.

Oración

Es difícil imaginar qué podrían tener en común un nativo americano, un curandero chamánico y los pioneros de la física cuántica. Sin embargo, todavía hay algo en común entre ellos. Niels Bohr, uno de los primeros exploradores de este extraño campo de la ciencia, creía que mucho de lo que llamamos realidad depende del “efecto observador”, es decir, la relación entre lo que sucede y cómo lo vemos. Este tema dio lugar al desarrollo de serios debates entre los físicos cuánticos, pero un experimento realizado por Bohr hace más de medio siglo confirmó su suposición.

Todo esto significa que nuestra conciencia influye en la realidad y puede cambiarla. Las repetidas palabras de oración y rituales de la ceremonia del chamán-sanador pueden ser intentos de cambiar la dirección de la "ola" que crea la realidad. La mayoría de las ceremonias también se realizan en presencia de numerosos observadores, lo que indica que cuantas más "ondas curativas" emanen de los observadores, más poderoso será su impacto en la realidad.

Relación de objeto

La interconexión de objetos podría tener un gran impacto en la energía solar en el futuro. La interconexión de objetos implica la interdependencia cuántica de átomos separados en el espacio físico real. Los físicos creen que la relación puede formarse en la parte de las plantas responsable de la fotosíntesis o de convertir la luz en energía. Las estructuras responsables de la fotosíntesis, los cromóforos, pueden convertir el 95 por ciento de la luz que reciben en energía.

Los científicos ahora están estudiando cómo este acoplamiento a nivel cuántico podría afectar la creación de energía solar con la esperanza de crear células solares naturales eficientes. Los expertos también descubrieron que las algas pueden utilizar cierta mecánica cuántica para mover la energía recibida de la luz y también almacenarla en dos lugares al mismo tiempo.

Computación cuántica

Otro aspecto igualmente importante de la física cuántica se puede aplicar en el campo de la informática, donde un tipo especial de elemento superconductor proporciona a la computadora una velocidad y potencia sin precedentes. Los investigadores explican que el elemento se comporta como átomos artificiales en el sentido de que sólo pueden ganar o perder energía moviéndose entre niveles de energía discretos. El átomo más complejo en estructura tiene cinco niveles de energía. Este complejo sistema (“qudit”) ofrece importantes ventajas sobre el funcionamiento de los átomos anteriores, que sólo tenían dos niveles de energía (“qubit”). Los qudits y qubits forman parte de los bits utilizados en las computadoras estándar. Las computadoras cuánticas utilizarán los principios de la mecánica cuántica en su trabajo, lo que les permitirá realizar cálculos mucho más rápido y con mayor precisión que las computadoras tradicionales.

Sin embargo, podría surgir un problema si la computación cuántica se convierte en realidad: la criptografía o la codificación de información.

Criptografía cuántica

Todo, desde su número de tarjeta de crédito hasta estrategias militares ultrasecretas, está disponible en Internet, y un hacker habilidoso con suficiente conocimiento y una computadora poderosa puede vaciar su cuenta bancaria o poner en riesgo la seguridad del mundo. Una codificación especial mantiene esta información en secreto y los informáticos trabajan constantemente para crear métodos de codificación nuevos y más seguros.

Codificar información dentro de una sola partícula de luz (fotón) ha sido durante mucho tiempo un objetivo de la criptografía cuántica. Parecía que los científicos de la Universidad de Toronto ya estaban muy cerca de crear este método, ya que fueron capaces de codificar el vídeo. El cifrado implica cadenas de ceros y unos, que es la "clave". Agregar una clave una vez codifica la información, agregarla nuevamente la decodifica. Si un extraño logra obtener la clave, la información puede ser pirateada. Pero incluso si las claves se utilizan a nivel cuántico, el hecho mismo de su uso implicará sin duda la presencia de un hacker.

Teletransportación

Esto es ciencia ficción, nada más. Sin embargo, esto se llevó a cabo, pero no con la participación humana, sino con la participación de moléculas grandes. Pero aquí es donde radica el problema. Cada molécula del cuerpo humano debe escanearse desde ambos lados. Pero es poco probable que esto suceda en un futuro próximo. Hay otro problema: una vez que escaneas una partícula, de acuerdo con las leyes de la física cuántica, la cambias, es decir, no tienes forma de hacer una copia exacta de ella.

Aquí es donde entra en juego la interconexión de objetos. Conecta dos objetos como si fueran uno. Escaneamos la mitad de la partícula y la copia teletransportada la hará la otra mitad. Será una copia exacta, ya que no medimos la partícula en sí, medimos su doble. Es decir, la partícula que medimos será destruida, pero su copia exacta será reanimada por su doble.

Partículas de Dios

Los científicos están utilizando su creación de gran tamaño, el Gran Colisionador de Hadrones, para estudiar algo extremadamente pequeño, pero muy importante: las partículas fundamentales que se cree que subyacen al origen de nuestro Universo.

Las partículas divinas son lo que los científicos dicen que dan masa a las partículas elementales (electrones, quarks y gluones). Los expertos creen que las partículas de Dios deben impregnar todo el espacio, pero la existencia de estas partículas aún no ha sido probada.

Encontrar estas partículas ayudaría a los físicos a comprender cómo el Universo se recuperó del Big Bang y se convirtió en lo que conocemos hoy. También ayudaría a explicar cómo se equilibra la materia con la antimateria. En definitiva, aislar estas partículas ayudará a explicarlo todo.

Hola queridos lectores. Si no quiere quedarse atrás de la vida, para ser una persona verdaderamente feliz y saludable, debe conocer los secretos de la física cuántica moderna y tener al menos una pequeña idea de las profundidades del universo que los científicos han excavado. hoy. No tiene tiempo para entrar en detalles científicos profundos, pero quiere comprender solo la esencia, pero ver la belleza del mundo desconocido, entonces este artículo: la física cuántica para tontos comunes, o se podría decir, para amas de casa, es solo para tú. Intentaré explicar qué es la física cuántica, pero con palabras sencillas, para mostrarlo claramente.

“¿Cuál es la conexión entre la felicidad, la salud y la física cuántica?”, te preguntarás.

El hecho es que ayuda a responder muchas preguntas poco claras relacionadas con la conciencia humana y la influencia de la conciencia en el cuerpo. Lamentablemente, la medicina, basada en la física clásica, no siempre nos ayuda a estar sanos. Pero la psicología no puede decir adecuadamente cómo encontrar la felicidad.

Sólo un conocimiento más profundo del mundo nos ayudará a comprender cómo afrontar verdaderamente la enfermedad y dónde reside la felicidad. Este conocimiento se encuentra en las capas profundas del Universo. La física cuántica viene en nuestra ayuda. Pronto lo sabrás todo.

Lo que estudia la física cuántica en palabras sencillas.

Sí, la física cuántica es realmente muy difícil de entender porque estudia las leyes del micromundo. Es decir, el mundo está en sus capas más profundas, a distancias muy cortas, donde a una persona le resulta muy difícil ver.

Y resulta que el mundo se comporta allí de manera muy extraña, misteriosa e incomprensible, no como estamos acostumbrados.

De ahí toda la complejidad y la incomprensión de la física cuántica.

Pero después de leer este artículo, ampliarás los horizontes de tu conocimiento y verás el mundo de una manera completamente diferente.

Breve historia de la física cuántica

Todo empezó a principios del siglo XX, cuando la física newtoniana no podía explicar muchas cosas y los científicos llegaron a un callejón sin salida. Luego Max Planck introdujo el concepto de cuántica. Albert Einstein recogió esta idea y demostró que la luz no viaja continuamente, sino en porciones: cuantos (fotones). Antes de esto, se creía que la luz tenía naturaleza ondulatoria.

Pero como resultó más tarde, cualquier partícula elemental no es solo un cuanto, es decir, una partícula sólida, sino también una onda. Así apareció en la física cuántica el dualismo onda-partícula, la primera paradoja y el comienzo del descubrimiento de fenómenos misteriosos del micromundo.

Las paradojas más interesantes comenzaron cuando se llevó a cabo el famoso experimento de la doble rendija, tras el cual surgieron muchos más misterios. Podemos decir que la física cuántica empezó con él. Veámoslo.

Experimento de doble rendija en física cuántica

Imaginemos un plato con dos hendiduras en forma de franjas verticales. Colocaremos una mampara detrás de esta placa. Si iluminamos la placa, veremos un patrón de interferencia en la pantalla. Es decir, alternando franjas verticales oscuras y brillantes. La interferencia es el resultado del comportamiento ondulatorio de algo, en nuestro caso la luz.

Si pasas una ola de agua por dos agujeros situados uno al lado del otro, entenderás qué es la interferencia. Es decir, la luz resulta ser de naturaleza ondulatoria. Pero como ha demostrado la física, o más bien Einstein, se propaga mediante partículas de fotones. Ya es una paradoja. Pero está bien, la dualidad onda-partícula ya no nos sorprenderá. La física cuántica nos dice que la luz se comporta como una onda pero está formada por fotones. Pero los milagros apenas comienzan.

Pongamos una pistola delante de la placa con dos rendijas que emitirán electrones en lugar de luz. Empecemos a disparar electrones. ¿Qué veremos en la pantalla detrás del plato?

Los electrones son partículas, lo que significa que un flujo de electrones que pasa a través de dos rendijas debe dejar sólo dos franjas en la pantalla, dos huellas opuestas a las rendijas. ¿Imagina guijarros volando a través de dos rendijas y golpeando la pantalla?

Pero ¿qué es lo que realmente vemos? El mismo patrón de interferencia. Cuál es la conclusión: los electrones viajan en ondas. Entonces los electrones son ondas. Pero esta es una partícula elemental. De nuevo, el dualismo onda-partícula en física.

Pero podemos suponer que en un nivel más profundo, el electrón es una partícula, y cuando estas partículas se juntan, comienzan a comportarse como ondas. Por ejemplo, una ola del mar es una ola, pero está formada por gotas de agua y, en menor nivel, por moléculas y luego por átomos. Bien, la lógica es sólida.

Entonces disparemos con un arma, no con una corriente de electrones, sino que liberemos electrones por separado, después de un cierto período de tiempo. Es como si no estuviéramos pasando una ola de mar por las grietas, sino que escupiéramos gotas individuales con la pistola de agua de un niño.

Es bastante lógico que en este caso diferentes gotas de agua caigan en diferentes grietas. En la pantalla detrás de la placa no se vería un patrón de interferencia de la onda, sino dos franjas claras del impacto frente a cada rendija. Veremos lo mismo: si arrojamos piedras pequeñas, éstas, volando a través de dos rendijas, dejarán una marca, como una sombra en dos agujeros. Ahora disparemos electrones individuales para ver estas dos rayas en la pantalla debido a los impactos de los electrones. Soltaron a uno, esperaron, el segundo, esperaron, y así sucesivamente. Los científicos de física cuántica pudieron realizar tal experimento.

Pero horror. En lugar de estas dos bandas se obtienen las mismas alternancias perturbadoras de varias bandas. ¿Cómo es eso? Esto podría suceder si un electrón volara a través de dos rendijas al mismo tiempo y detrás de la placa, como una onda, chocaría consigo mismo e interferiría. Pero esto no puede suceder, porque una partícula no puede estar en dos lugares al mismo tiempo. O vuela por el primer hueco o por el segundo.

Aquí es donde comienzan las cosas verdaderamente fantásticas de la física cuántica.

Superposición en física cuántica

Con un análisis más profundo, los científicos descubren que cualquier partícula cuántica elemental o la misma luz (fotón) en realidad puede estar en varios lugares al mismo tiempo. Y estos no son milagros, sino hechos reales del micromundo. La física cuántica lo dice. Por eso, cuando disparamos una sola partícula con un cañón, vemos el resultado de una interferencia. Detrás de la placa, el electrón choca consigo mismo y crea un patrón de interferencia.

Los objetos del macrocosmos que nos son comunes están siempre en un lugar y tienen un estado. Por ejemplo, ahora está sentado en una silla, pesa, digamos, 50 kg y tiene una frecuencia cardíaca de 60 latidos por minuto. Por supuesto, estas lecturas cambiarán, pero cambiarán después de un tiempo. Después de todo, no se puede estar en casa y en el trabajo al mismo tiempo, pesar 50 y 100 kg. Todo esto es comprensible, es de sentido común.

En la física del micromundo todo es diferente.

La mecánica cuántica afirma, y ​​esto ya ha sido confirmado experimentalmente, que cualquier partícula elemental puede estar simultáneamente no sólo en varios puntos del espacio, sino también tener varios estados al mismo tiempo, por ejemplo, el espín.

Todo esto confunde la mente, socava la comprensión habitual del mundo, las viejas leyes de la física, pone patas arriba el pensamiento, se puede decir con seguridad que te vuelve loco.

Así es como llegamos a entender el término “superposición” en mecánica cuántica.

La superposición significa que un objeto del micromundo puede estar simultáneamente en diferentes puntos del espacio y también tener varios estados al mismo tiempo. Y esto es normal para las partículas elementales. Ésta es la ley del micromundo, por extraño y fantástico que parezca.

Te sorprendes, pero estos son sólo los comienzos, los milagros, misterios y paradojas más inexplicables de la física cuántica aún están por llegar.

Colapso de la función de onda en física en palabras simples

Entonces los científicos decidieron averiguar y comprobar con mayor precisión si el electrón realmente pasa a través de ambas rendijas. De repente pasa a través de una rendija y luego de alguna manera se divide y crea un patrón de interferencia a medida que pasa a través de ella. Bueno, nunca se sabe. Es decir, es necesario colocar algún tipo de dispositivo cerca de la rendija que registre con precisión el paso de un electrón a través de ella. Dicho y hecho. Por supuesto, esto es difícil de hacer; no se necesita un dispositivo, sino algo más para ver el paso de un electrón. Pero los científicos lo hicieron.

Pero al final, el resultado sorprendió a todos.

Tan pronto como comenzamos a mirar por qué rendija pasa el electrón, comienza a comportarse no como una onda, no como una sustancia extraña que se encuentra simultáneamente en diferentes puntos del espacio, sino como una partícula ordinaria. Es decir, el cuanto comienza a exhibir propiedades específicas: está ubicado en un solo lugar, pasa a través de una rendija y tiene un valor de espín. No es un patrón de interferencia lo que aparece en la pantalla, sino un simple rastro frente a la rendija.

Pero, ¿cómo es esto posible? Es como si el electrón estuviera bromeando, jugando con nosotros. Al principio se comporta como una onda y luego, después de que decidimos observarla pasar a través de una rendija, exhibe las propiedades de una partícula sólida y pasa a través de una sola rendija. Pero así es como es en el microcosmos. Estas son las leyes de la física cuántica.

Los científicos han descubierto otra propiedad misteriosa de las partículas elementales. Así aparecieron en la física cuántica los conceptos de incertidumbre y colapso de la función de onda.

Cuando un electrón vuela hacia la rendija, se encuentra en un estado indeterminado o, como dijimos anteriormente, en superposición. Es decir, se comporta como una onda, está simultáneamente en diferentes puntos del espacio y tiene dos valores de espín a la vez (el espín tiene solo dos valores). Si no lo tocáramos, no intentáramos mirarlo, no averiguáramos dónde estaba exactamente, no midiéramos el valor de su giro, habría volado como una onda a través de dos rendijas al mismo tiempo. tiempo, lo que significa que habría creado un patrón de interferencia. La física cuántica describe su trayectoria y parámetros utilizando la función de onda.

Una vez que hemos realizado una medición (y es posible medir una partícula del micromundo solo interactuando con ella, por ejemplo, haciendo chocar otra partícula con ella), se produce el colapso de la función de onda.

Es decir, ahora el electrón está ubicado exactamente en un lugar en el espacio y tiene un valor de espín.

Se puede decir que una partícula elemental es como un fantasma, parece existir, pero al mismo tiempo no está en un solo lugar y puede, con cierta probabilidad, terminar en cualquier lugar dentro de la descripción de la función de onda. Pero tan pronto como comenzamos a contactarlo, pasa de ser un objeto fantasmal a una sustancia real tangible que se comporta como los objetos ordinarios del mundo clásico que nos son familiares.

"Esto es fantástico", dices. Por supuesto, pero las maravillas de la física cuántica apenas están comenzando. Lo más increíble está por llegar. Pero tomemos un pequeño descanso de la abundancia de información y volvamos a las aventuras cuánticas en otro momento, en otro artículo. Mientras tanto, reflexiona sobre lo que aprendiste hoy. ¿A qué pueden conducir tales milagros? Después de todo, nos rodean, esto es propiedad de nuestro mundo, aunque en un nivel más profundo. ¿Seguimos pensando que vivimos en un mundo aburrido? Pero sacaremos conclusiones más adelante.

Intenté hablar breve y claramente sobre los conceptos básicos de la física cuántica.

Pero si no entiendes algo, entonces mira esta caricatura sobre la física cuántica, sobre el experimento de la doble rendija, allí también se explica todo en un lenguaje claro y sencillo.

Caricatura sobre física cuántica:

O puedes ver este video, todo encajará, la física cuántica es muy interesante.

Vídeo sobre física cuántica:

¿Y cómo no supiste esto antes?

Los descubrimientos modernos en física cuántica están cambiando nuestro mundo material familiar.

Cuando la gente escucha las palabras “física cuántica”, normalmente la ignoran: “Es algo terriblemente complicado”. Mientras tanto, esto no es del todo cierto y no hay absolutamente nada de aterrador en la palabra "cuántico". Hay muchas cosas incomprensibles, muchas cosas interesantes, pero nada aterrador.

Sobre estanterías, escaleras e Ivan Ivanovich.

Todos los procesos, fenómenos y cantidades del mundo que nos rodea se pueden dividir en dos grupos: continuos (científicamente continuo ) y discontinuo (científicamente discreto o cuantificado ).

Imagina una mesa sobre la que puedes colocar un libro. Puedes poner el libro en cualquier lugar de la mesa. Derecha, izquierda, medio... Donde quieras, ponlo ahí. En este caso, los físicos dicen que la posición del libro sobre la mesa cambia continuamente .

Ahora imagina estanterías. Puedes poner un libro en el primer estante, en el segundo, en el tercero o en el cuarto, pero no puedes poner un libro "en algún lugar entre el tercero y el cuarto". En este caso, la posición del libro cambia. intermitentemente , discretamente , cuantificado (todas estas palabras significan lo mismo).

El mundo que nos rodea está lleno de cantidades continuas y cuantificadas. Aquí hay dos chicas: Katya y Masha. Su altura es de 135 y 136 centímetros. ¿De qué talla es? La altura cambia continuamente, puede ser de 135 centímetros y medio o 135 centímetros y cuarto. ¡Pero el número de la escuela donde estudian las niñas es una cantidad cuantificada! Digamos que Katya estudia en la escuela número 135 y Masha estudia en la escuela número 136. Sin embargo, ninguna de ellas puede estudiar en la escuela número 135 y media, ¿verdad?

Otro ejemplo de sistema cuantificado es un tablero de ajedrez. Hay 64 casillas en un tablero de ajedrez y cada pieza solo puede ocupar una casilla. ¿Podemos colocar un peón en algún lugar entre las celdas o colocar dos peones en una celda a la vez? De hecho, podemos, pero según las reglas, no.

descenso continuo

Y aquí está el tobogán del patio de recreo. Los niños se deslizan hacia abajo, porque la altura del tobogán cambia de forma suave y continua. Ahora imagina que este tobogán de repente (¡un movimiento de varita mágica!) se convierte en una escalera. Rodar sobre su trasero ya no funcionará. Tendrás que caminar con los pies: primero un paso, luego un segundo y luego un tercero. El tamaño (altura) ha cambiado. continuamente – pero empezó a cambiar por pasos, es decir, discretamente, cuantificado .

descenso cuantificado

¡Vamos a revisar!

1. Un vecino de la dacha, Ivan Ivanovich, fue al pueblo vecino y dijo: "Descansaré en algún lugar del camino".

2. Un vecino de la casa de campo, Ivan Ivanovich, fue al pueblo vecino y dijo: "Iré en un autobús".

¿Cuál de estas dos situaciones (“sistemas”) puede considerarse continua y cuál puede considerarse cuantificada?

Respuesta:

En el primer caso, Ivan Ivanovich camina y puede detenerse a descansar absolutamente en cualquier momento. Esto significa que este sistema es continuo.

En el segundo, Ivan Ivanovich puede subirse al autobús que llega a la parada. Podría perderlo y esperar el próximo autobús. Pero no podrá sentarse “en algún lugar entre” los autobuses. ¡Esto significa que este sistema está cuantificado!

Échale la culpa a la astronomía

Los antiguos griegos eran muy conscientes de la existencia de cantidades continuas (continuas) y discontinuas (cuantificadas, discontinuas, discretas). En su libro Psammit (Cálculo de granos de arena), Arquímedes incluso hizo el primer intento de establecer una conexión matemática entre cantidades continuas y cuantificadas. Sin embargo, en aquella época no existía la física cuántica.

¡No existió hasta principios del siglo XX! Grandes físicos como Galileo, Descartes, Newton, Faraday, Young o Maxwell nunca habían oído hablar de la física cuántica y se las arreglaban perfectamente sin ella. Quizás se pregunte: ¿por qué entonces se les ocurrió a los científicos la física cuántica? ¿Qué pasó de especial en la física? Imagínense lo que pasó. ¡Solo que no en física en absoluto, sino en astronomía!

Compañero misterioso

En 1844, el astrónomo alemán Friedrich Bessel observó la estrella más brillante de nuestro cielo nocturno: Sirio. En ese momento, los astrónomos ya sabían que las estrellas en nuestro cielo no son estacionarias, sino que se mueven muy, muy lentamente. Además, ¡cada estrella es importante! - se mueve en línea recta. Entonces, al observar a Sirius, resultó que no se movía en línea recta en absoluto. La estrella parecía “tambalearse” primero en una dirección y luego en la otra. La trayectoria de Sirio en el cielo era como una línea sinuosa, que los matemáticos llaman "onda sinusoidal".

La estrella Sirio y su satélite - Sirio B

Estaba claro que la estrella misma no podía moverse así. Para convertir el movimiento en línea recta en movimiento a lo largo de una onda sinusoidal, se necesita algún tipo de "fuerza perturbadora". Por lo tanto, Bessel sugirió que un satélite pesado gira alrededor de Sirio; ésta era la explicación más natural y razonable.

Sin embargo, los cálculos mostraron que la masa de este satélite debería ser aproximadamente la misma que la de nuestro Sol. Entonces, ¿por qué no vemos este satélite desde la Tierra? Sirio se encuentra no muy lejos del sistema solar, a unos dos pársecs y medio, y un objeto del tamaño del Sol debería ser muy visible...

Fue una tarea difícil. Algunos científicos dijeron que este satélite es una estrella fría y enfriada, por lo que es completamente negra e invisible desde nuestro planeta. Otros decían que este satélite no es negro, sino transparente, por eso no lo vemos. Los astrónomos de todo el mundo observaron a Sirio a través de telescopios e intentaron "atrapar" el misterioso satélite invisible, pero parecía burlarse de ellos. Había algo de lo que sorprenderse, ya sabes...

¡Necesitamos un telescopio milagroso!

A través de un telescopio de este tipo, la gente vio por primera vez el satélite Sirio.

A mediados del siglo XIX, el destacado diseñador de telescopios Alvin Clark vivió y trabajó en Estados Unidos. De primera profesión fue artista, pero por casualidad se convirtió en ingeniero, vidriero y astrónomo de primer nivel. ¡Hasta ahora nadie ha podido superar sus asombrosos telescopios de lentes! Una de las lentes de Alvin Clark (76 centímetros de diámetro) se puede ver en San Petersburgo, en el Museo del Observatorio Pulkovo...

Sin embargo, estamos divagando. Entonces, en 1867, Alvin Clark construyó un nuevo telescopio, con una lente con un diámetro de 47 centímetros; era el telescopio más grande de Estados Unidos en ese momento. El misterioso Sirio fue elegido como el primer objeto celeste observado durante las pruebas. Y las esperanzas de los astrónomos se vieron brillantemente justificadas: la primera noche se descubrió el esquivo satélite de Sirio, predicho por Bessel.

De la sartén al fuego...

Sin embargo, al recibir datos de las observaciones de Clark, los astrónomos no se alegraron por mucho tiempo. Después de todo, según los cálculos, la masa del satélite debería ser aproximadamente la misma que la de nuestro Sol (333.000 veces la masa de la Tierra). Pero en lugar de un enorme cuerpo celeste negro (o transparente), los astrónomos vieron... ¡una pequeña estrella blanca! Esta estrella era muy caliente (25.000 grados, en comparación con los 5.500 grados de nuestro Sol) y al mismo tiempo pequeña (según los estándares cósmicos), no más grande que la Tierra (más tarde, estas estrellas fueron llamadas "enanas blancas"). Resultó que esta estrella tenía una densidad completamente inimaginable. ¿De qué sustancia se compone entonces?

En la Tierra conocemos materiales con altas densidades, por ejemplo, plomo (un cubo de un centímetro de lado hecho de este metal pesa 11,3 gramos) u oro (19,3 gramos por centímetro cúbico). La densidad de la sustancia del satélite de Sirio (se llamaba “Sirio B”) es millón (!!!) gramos por centímetro cúbico: ¡es 52 mil veces más pesado que el oro!

Tomemos, por ejemplo, una caja de cerillas normal y corriente. Su volumen es de 28 centímetros cúbicos. Esto significa que una caja de cerillas llena con la sustancia del satélite Sirio pesará... ¡28 toneladas! Intenta imaginar: ¡hay una caja de cerillas en un lado de la balanza y un tanque en el otro!

Había un problema más. Existe una ley en física llamada ley de Charles. Afirma que en el mismo volumen la presión de una sustancia es mayor cuanto mayor es la temperatura de esta sustancia. Recuerde cómo la presión del vapor caliente arranca la tapa de una tetera hirviendo y comprenderá inmediatamente de qué estamos hablando. Entonces, ¡la temperatura de la sustancia del satélite Sirio violó esta misma ley de Charles de la manera más inescrupulosa! La presión era inimaginable y la temperatura relativamente baja. El resultado fueron leyes físicas “incorrectas” y, en general, una física “incorrecta”. Como Winnie the Pooh: "abejas equivocadas y miel equivocada".

Mi cabeza da vueltas por completo...

Para "salvar" la física, a principios del siglo XX, los científicos tuvieron que admitir que había DOS físicas en el mundo a la vez: una "clásica", conocida desde hace dos mil años. Y el segundo es inusual, cuántico . Los científicos han sugerido que las leyes de la física clásica operan en el nivel "macroscópico" ordinario de nuestro mundo. Pero en el nivel más pequeño, "microscópico", la materia y la energía obedecen a leyes completamente diferentes: las cuánticas.

Imaginemos nuestro planeta Tierra. Más de 15.000 objetos artificiales diferentes giran actualmente a su alrededor, cada uno en su propia órbita. Además, esta órbita se puede cambiar (corregir) si se desea; por ejemplo, la órbita de la Estación Espacial Internacional (ISS) se ajusta periódicamente. Este es un nivel macroscópico, aquí funcionan las leyes de la física clásica (por ejemplo, las leyes de Newton).

Ahora pasemos al nivel microscópico. Imaginemos el núcleo de un átomo. Los electrones giran a su alrededor, como satélites, pero no puede haber tantos como se desee (por ejemplo, un átomo de helio no tiene más de dos). Y las órbitas de los electrones ya no serán arbitrarias, sino cuantificadas, “escalonadas”. Los físicos también llaman a estas órbitas "niveles de energía permitidos". Un electrón no puede moverse "suavemente" de un nivel permitido a otro; sólo puede "saltar" instantáneamente de un nivel a otro. Simplemente estaba "allí" y al instante me encontré "aquí". No puede estar en algún lugar entre “allí” y “aquí”. Cambia de ubicación al instante.

¿Maravilloso? ¡Maravilloso! Pero eso no es todo. El caso es que, según las leyes de la física cuántica, dos electrones idénticos no pueden ocupar el mismo nivel de energía. Nunca. Los científicos llaman a este fenómeno la “exclusión de Pauli” (aún no pueden explicar por qué está vigente esta “prohibición”). Sobre todo, esta "prohibición" se parece a un tablero de ajedrez, que citamos como ejemplo de un sistema cuántico: si hay un peón en una celda del tablero, no se puede colocar otro peón en esta celda. ¡Con los electrones pasa exactamente lo mismo!

La solución del problema

¿Cómo explica la física cuántica fenómenos tan inusuales como la violación de la ley de Charles dentro de Sirio B? Así es cómo.

Imagine un parque de la ciudad que tiene una pista de baile. Hay mucha gente caminando por la calle, vienen a la pista de baile a bailar. Sea el número de personas en la calle la presión y el número de personas en la discoteca la temperatura. Una gran cantidad de personas pueden venir a la pista de baile: cuanta más gente camina por el parque, más gente baila en la pista de baile, es decir, cuanto mayor es la presión, mayor es la temperatura. Así funcionan las leyes de la física clásica, incluida la ley de Charles. Los científicos llaman a esta sustancia un "gas ideal".

La gente en la pista de baile es el “gas ideal”

Sin embargo, a nivel microscópico las leyes de la física clásica no se aplican. Allí comienzan a operar las leyes cuánticas y esto cambia radicalmente la situación.

Imaginemos que en lugar de la pista de baile del parque se abriera una cafetería. ¿Cuál es la diferencia? Sí, lo cierto es que, a diferencia de una discoteca, al café no entrará “tanta gente como quieras”. Tan pronto como todos los asientos de las mesas estén ocupados, la seguridad dejará de dejar entrar a la gente. Y hasta que uno de los invitados desocupe la mesa, ¡la seguridad no dejará entrar a nadie! Cada vez hay más gente paseando por el parque, pero el número de personas en la cafetería sigue siendo el mismo. Resulta que la presión aumenta, pero la temperatura “se mantiene”.

Gente en un café: "gas cuántico"

Dentro de Sirius B, por supuesto, no hay gente, pistas de baile ni cafés. Pero el principio sigue siendo el mismo: los electrones llenan todos los niveles de energía permitidos (como los visitantes llenan las mesas en un café) y ya no pueden “dejar entrar a nadie”, exactamente según la exclusión de Pauli. Como resultado, se obtiene una presión inimaginablemente enorme dentro de la estrella, pero la temperatura es alta, pero bastante normal para las estrellas. En física, esta sustancia se denomina “gas cuántico degenerado”.

¿Deberíamos continuar?..

La densidad anormalmente alta de las enanas blancas está lejos de ser el único fenómeno de la física que requiere el uso de leyes cuánticas. Si este tema le interesa, en los próximos números de Luchik hablaremos de otros fenómenos cuánticos no menos interesantes. ¡Escribir! Por ahora, recordemos lo principal:

1. En nuestro mundo (Universo), las leyes de la física clásica operan a nivel macroscópico (es decir, “grande”). Describen las propiedades de líquidos y gases ordinarios, los movimientos de estrellas y planetas y mucho más. Esta es la física que estudias (o estudiarás) en la escuela.

2. Sin embargo, a nivel microscópico (es decir, increíblemente pequeño, millones de veces más pequeño que las bacterias más pequeñas), operan leyes completamente diferentes: las leyes de la física cuántica. Estas leyes se describen mediante fórmulas matemáticas muy complejas y no se estudian en la escuela. Sin embargo, sólo la física cuántica permite explicar con relativa claridad la estructura de objetos cósmicos tan sorprendentes como las enanas blancas (como Sirio B), las estrellas de neutrones, los agujeros negros, etc.

Aquí tuve una conversación durante días sobre el tema. borrado cuántico de elección retrasada, no tanto una discusión como una paciente explicación de mi maravilloso amigo dr_tambowsky sobre los fundamentos de la física cuántica. Como no estudié bien física en la escuela y, en mi vejez, la absorbo como una esponja. Decidí recoger las explicaciones en un lugar, tal vez para alguien más.

Para empezar, recomiendo ver una caricatura para niños sobre las interferencias y prestar atención al “ojo”. Porque ese es en realidad el punto.

Luego puedes empezar a leer el texto de dr_tambowsky, que cito a continuación en su totalidad, o, si eres inteligente y conocedor, puedes leerlo de inmediato. O mejor aún, ambas cosas.

¿Qué es la interferencia?
Realmente hay muchos términos y conceptos diferentes aquí y son muy confusos. Vayamos en orden. En primer lugar, la injerencia como tal. Existen innumerables ejemplos de interferencias y existen muchos interferómetros diferentes. Un experimento particular que se sugiere constantemente y se utiliza a menudo en esta ciencia del borrado (principalmente porque es simple y conveniente) consiste en dos rendijas cortadas una al lado de la otra, paralelas entre sí, en una pantalla opaca. Primero, arrojemos luz sobre esta doble ranura. La luz es una onda, ¿verdad? Y observamos la interferencia de la luz todo el tiempo. Confíe en que si iluminamos estas dos rendijas y colocamos una pantalla (o simplemente una pared) en el otro lado, en esta segunda pantalla también veremos un patrón de interferencia, en lugar de dos puntos de luz brillantes ". pasando a través de las rendijas” en la segunda pantalla (pared) habrá una valla de franjas brillantes y oscuras alternadas. Notemos una vez más que esta es una propiedad puramente ondulatoria: si arrojamos piedras, las que caigan en las ranuras seguirán volando rectas y golpearán la pared, cada una detrás de su ranura, es decir, veremos dos pilas independientes. de piedras (si se pegan a la pared, claro 🙂), sin interferencias.

A continuación, ¿recuerdas que en la escuela enseñaban sobre la “dualidad onda-partícula”? ¿Que cuando todo es muy pequeño y muy cuántico, entonces los objetos son a la vez partículas y ondas? En uno de los experimentos famosos (el experimento de Stern-Gerlach) en los años 20 del siglo pasado, utilizaron la misma configuración descrita anteriormente, pero en lugar de luz brillaron... con electrones. Bueno, es decir, los electrones son partículas, ¿verdad? Es decir, si los "arrojas" en la doble ranura, como guijarros, ¿qué veremos en la pared detrás de las ranuras? ¡La respuesta no son dos puntos separados, sino nuevamente una imagen de interferencia! Es decir, los electrones también pueden interferir.

Por otro lado, resulta que la luz no es exactamente una onda, sino también un poco una partícula: un fotón. Es decir, ahora somos tan inteligentes que entendemos que los dos experimentos descritos anteriormente son lo mismo. Lanzamos partículas (cuánticas) a las rendijas, y las partículas en estas rendijas interfieren: en la pared se ven franjas alternas ("visibles", en el sentido de cómo registramos fotones o electrones allí, en realidad los ojos no son necesarios para esto: )).

Ahora, armados con esta imagen universal, hagamos la siguiente pregunta, más sutil (¡¡atención, muy importante!!):
Cuando iluminamos las rendijas con nuestros fotones/electrones/partículas, vemos un patrón de interferencia en el otro lado. Maravilloso. Pero, ¿qué le sucede a un fotón/electrón/mesón pi individual? [y de ahora en adelante, hablemos—únicamente por conveniencia—sólo de fotones]. Después de todo, esta opción es posible: cada fotón vuela como un guijarro a través de su propia ranura, es decir, tiene una trayectoria muy definida. Este fotón vuela por la ranura izquierda. Y ese de ahí está a la derecha. Cuando estos fotones de guijarros, siguiendo sus trayectorias específicas, llegan a la pared detrás de las rendijas, de alguna manera interactúan entre sí y, como resultado de esta interacción, aparece un patrón de interferencia en la propia pared. Hasta ahora, nada en nuestros experimentos contradice esta interpretación; después de todo, cuando iluminamos la rendija con luz brillante, enviamos muchos fotones a la vez. Su perro sabe lo que hacen allí.

Tenemos una respuesta a esta importante pregunta. Sabemos cómo lanzar un fotón a la vez. Se fueron. Nosotros esperamos. Tiraron el siguiente. Miramos de cerca la pared y notamos dónde llegan estos fotones. Un solo fotón, por supuesto, en principio no puede crear un patrón de interferencia observable: está solo y, cuando lo registramos, solo podemos verlo en un lugar determinado y no en todas partes a la vez. Sin embargo, volvamos a la analogía con los guijarros. Un guijarro pasó volando. Golpeó la pared detrás de una de las ranuras (la que atravesó volando, por supuesto). Aquí hay otro: volvió a golpear detrás de la ranura. Estamos sentados. Nosotros contamos. Después de un tiempo y de tirar suficientes piedras, conseguiremos una distribución: veremos que muchas piedras golpean la pared detrás de una ranura y muchas detrás de la otra. Y en ningún otro lugar. Hacemos lo mismo con los fotones: los lanzamos uno a la vez y contamos lentamente cuántos fotones llegan a cada lugar de la pared. Poco a poco nos estamos volviendo locos, porque la distribución de frecuencia resultante de los impactos de fotones no es en absoluto dos puntos debajo de las rendijas correspondientes. Esta distribución repite exactamente el patrón de interferencia que vimos cuando brillamos con luz brillante. ¡Pero los fotones ahora llegaban uno a la vez! Uno - hoy. El próximo es mañana. No podían interactuar entre sí en la pared. Es decir, en total conformidad con la mecánica cuántica, un fotón separado es al mismo tiempo una onda y nada parecido a una onda le es ajeno. El fotón en nuestro experimento no tiene una trayectoria específica: cada fotón individual pasa a través de ambas rendijas a la vez y, por así decirlo, interfiere consigo mismo. Podemos repetir el experimento, dejando sólo una rendija abierta; entonces los fotones, por supuesto, se agruparán detrás de ella. Cerremos el primero, abramos el segundo, todavía lanzando fotones de uno en uno. Naturalmente, se agrupan bajo la segunda grieta abierta. Abra ambas: la distribución resultante de los lugares donde les gusta agruparse a los fotones no es la suma de las distribuciones obtenidas cuando solo una rendija estaba abierta. Ahora todavía están acurrucados entre las grietas. Más precisamente, sus lugares favoritos para agruparse ahora son franjas alternas. En este están acurrucados, en el siguiente - no, de nuevo - sí, oscuro, claro. Ah, interferencia...

¿Qué es la superposición y el giro?
Entonces. Supongamos que entendemos todo acerca de la interferencia como tal. Hagamos superposición. No sé cómo te va con la mecánica cuántica, lo siento. Si es malo, entonces tendrás que confiar en muchas cosas; es difícil de explicar en pocas palabras.

Pero, en principio, ya estábamos cerca, cuando vimos que un solo fotón volaba a través de dos rendijas a la vez. Podemos decir simplemente: un fotón no tiene trayectoria, una onda y una onda. Y podemos decir que el fotón vuela simultáneamente en dos trayectorias (en rigor, ni siquiera en dos, por supuesto, sino en todas a la vez). Esta es una declaración equivalente. En principio, si seguimos este camino hasta el final, llegaremos a la “integral de camino”, la formulación de la mecánica cuántica de Feynman. Esta formulación es increíblemente elegante e igual de compleja, es difícil de usar en la práctica y mucho menos usarla para explicar los conceptos básicos. Por tanto, no vayamos hasta el final, sino más bien meditemos sobre un fotón que vuela “por dos trayectorias a la vez”. En el sentido de los conceptos clásicos (y la trayectoria es un concepto clásico bien definido, o una piedra vuela de frente o de largo), el fotón se encuentra en diferentes estados al mismo tiempo. Una vez más, la trayectoria ni siquiera es exactamente la que necesitamos, nuestros objetivos son más simples, sólo les insto a que se den cuenta y sientan el hecho.

La mecánica cuántica nos dice que esta situación es la regla, no la excepción. Cualquier partícula cuántica puede estar (y suele estar) en "varios estados" a la vez. De hecho, no es necesario que se tome esta afirmación demasiado en serio. Estos “estados múltiples” son en realidad nuestras intuiciones clásicas. Definimos diferentes “estados” basándonos en algunas de nuestras propias consideraciones (externas y clásicas). Y una partícula cuántica vive según sus propias leyes. Tiene una fortuna. Punto. Todo lo que significa la afirmación sobre la “superposición” es que este estado puede ser muy diferente de nuestras ideas clásicas. Introducimos el concepto clásico de trayectoria y lo aplicamos a un fotón en el estado en el que le gusta estar. Y el fotón dice: "Lo siento, mi estado favorito es que en relación con estas trayectorias tuyas, ¡estoy en ambas a la vez!" Esto no significa que el fotón no pueda estar en absoluto en un estado en el que la trayectoria esté (más o menos) determinada. Cerremos una de las rendijas y, hasta cierto punto, podemos decir que el fotón pasa por la segunda a lo largo de una determinada trayectoria, que entendemos bien. Es decir, tal estado existe en principio. Abramos ambos: el fotón prefiere estar en superposición.

Lo mismo se aplica a otros parámetros. Por ejemplo, su propio momento angular o giro. ¿Recuerda dos electrones que pueden sentarse juntos en el mismo orbital s, si tienen espines opuestos? Esto es exactamente. Y el fotón también tiene espín. Lo bueno del espín de los fotones es que, en los clásicos, en realidad corresponde a la polarización de una onda de luz. Es decir, utilizando todo tipo de polarizadores y otros cristales que tenemos, podemos manipular el giro (polarización) de fotones individuales si los tenemos (y aparecerán).

Entonces, gira. El electrón tiene un espín (con la esperanza de que los orbitales y los electrones te resulten más familiares que los fotones, por lo que todo es igual), pero al electrón le es absolutamente indiferente el “estado de espín” en el que se encuentra. El giro es un vector y podemos intentar decir "el giro apunta hacia arriba". O “el giro mira hacia abajo” (en relación con alguna dirección que hayamos elegido). Y el electrón nos dice: “No me importas, puedo estar en ambas trayectorias en ambos estados de espín a la vez”. Una vez más, es muy importante que no haya muchos electrones en diferentes estados de espín; en un conjunto, uno mira hacia arriba, el otro hacia abajo y cada electrón individual se encuentra en ambos estados a la vez. Al igual que no son diferentes electrones los que pasan por diferentes rendijas, sino que un electrón (o fotón) pasa por ambas rendijas a la vez. Un electrón puede estar en un estado con una determinada dirección de giro si se lo pides mucho, pero él mismo no lo hará. La situación se puede describir semicualitativamente de la siguiente manera: 1) hay dos estados, |+1> (giro hacia arriba) y |-1> (giro hacia abajo); 2) en principio, estos son estados kosher en los que puede existir el electrón; 3) sin embargo, si no se hacen esfuerzos especiales, el electrón quedará “manchado” en ambos estados y su estado será algo así como |+1> + |-1>, un estado en el que el electrón no tiene un estado específico dirección de giro (al igual que la trayectoria 1+ trayectoria 2, ¿verdad?). Esta es una "superposición de estados".

Sobre el colapso de la función de onda.
Queda muy poco para que entendamos qué son la medición y el “colapso de la función de onda”. La función de onda es lo que escribimos arriba, |+1> + |-1>. Sólo una descripción de la condición. Para simplificar, podemos hablar del Estado mismo, como tal, y de su “colapso”, no importa. Esto es lo que sucede: el electrón vuela hacia sí mismo en un estado mental tan incierto, o está arriba, o abajo, o ambas cosas a la vez. Luego corremos con algún dispositivo de aspecto aterrador y medimos la dirección del giro. En este caso particular, basta con insertar un electrón en un campo magnético: aquellos electrones cuyo espín apunta a lo largo de la dirección del campo deben desviarse en una dirección, aquellos cuyo espín apunta en contra del campo, en la otra. Nos sentamos al otro lado y nos frotamos las manos: vemos en qué dirección se ha desviado el electrón y sabemos inmediatamente si su espín está hacia arriba o hacia abajo. Los fotones se pueden colocar en un filtro polarizador: si la polarización (espín) es +1, el fotón pasa, si es -1, entonces no.

Pero disculpe, después de todo, ¿el electrón no tenía una determinada dirección de espín antes de la medición? Ese es todo el punto. No había uno definido, pero era, por así decirlo, "mezclado" de dos estados a la vez, y en cada uno de estos estados había en gran medida una dirección. En el proceso de medición, obligamos al electrón a decidir quién debe ser y dónde mirar: hacia arriba o hacia abajo. En la situación descrita anteriormente, por supuesto, en principio, no podemos predecir de antemano qué decisión tomará este electrón en particular cuando entre en el campo magnético. Con una probabilidad del 50% puede decidir “arriba”, con la misma probabilidad puede decidir “abajo”. Pero tan pronto como decide esto, se encuentra en un estado con una cierta dirección de giro. ¡Como resultado de nuestra “medición”! Esto es un "colapso": antes de la medición, la función de onda (lo siento, estado) era |+1> + |-1>. Después de “medir” y ver que el electrón se desviaba en una determinada dirección, se determinó su dirección de espín y su función de onda pasó a ser simplemente |+1> (o |-1>, si se desviaba en otra dirección). Es decir, el Estado se ha “colapsado” en uno de sus componentes; ¡Ya no queda ningún rastro de “mezcla” del segundo componente!

En gran medida, este era el foco del filosofar vacío en la entrada original, y es por eso que no me gusta el final de la caricatura. Simplemente se atrae la atención allí y un espectador inexperto puede tener, en primer lugar, la ilusión de un cierto antropocentrismo del proceso (dicen, se necesita un observador para realizar la “medición”), y en segundo lugar, de su no invasividad ( bueno, ¡sólo estamos mirando!). Mis puntos de vista sobre este tema se describieron anteriormente. En primer lugar, un “observador” como tal, por supuesto, no es necesario. Basta con poner en contacto un sistema cuántico con un sistema clásico grande y todo sucederá por sí solo (los electrones volarán hacia el campo magnético y decidirán quiénes serán, independientemente de si estamos sentados al otro lado y observando o no). En segundo lugar, la medición clásica no invasiva de una partícula cuántica es, en principio, imposible. Es fácil llamar la atención, pero ¿qué significa “mirar un fotón y descubrir adónde fue”? Para mirar, necesitas que los fotones lleguen al ojo, preferiblemente muchos. ¿Cómo podemos organizarlo para que lleguen muchos fotones y nos digan todo sobre el estado de un fotón desafortunado, cuyo estado nos interesa? ¿Iluminarlo con una linterna? ¿Y qué quedará de él después de esto? Está claro que influiremos mucho en su estado, tal vez hasta tal punto que ya no querrá subir a ninguna de las plazas. No es tan interesante. Pero finalmente llegamos a lo interesante.

Acerca de la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen y los pares de fotones coherentes (entrelazados)
Ahora sabemos acerca de la superposición de estados, pero hasta ahora sólo hemos hablado de una partícula. Puramente por simplicidad. Pero aún así, ¿qué pasa si tenemos dos partículas? Se pueden preparar un par de partículas en un estado completamente cuántico, de modo que su estado general se describa mediante una única función de onda común. Esto, por supuesto, no es simple: dos fotones arbitrarios en habitaciones vecinas o electrones en tubos de ensayo vecinos no se conocen entre sí, por lo que pueden y deben describirse de manera completamente independiente. Por lo tanto, es posible calcular la energía de enlace de, digamos, un electrón sobre un protón en un átomo de hidrógeno, sin estar en absoluto interesado en otros electrones en Marte o incluso en átomos vecinos. Pero si haces un esfuerzo especial, puedes crear un estado cuántico que abarque dos partículas a la vez. A esto lo llamaremos “estado coherente”; en relación con pares de partículas y todo tipo de borrados cuánticos y computadoras, también se le llama estado entrelazado.

Vamonos. Podemos saber (debido a las limitaciones impuestas por el proceso de preparación de este estado coherente) que, digamos, el espín total de nuestro sistema de dos partículas es cero. Está bien, sabemos que los espines de dos electrones en el orbital s deben ser antiparalelos, es decir, el espín total es cero, y esto no nos asusta en absoluto, ¿verdad? Lo que no sabemos es hacia dónde apunta el giro de una partícula en particular. Sólo sabemos que no importa hacia dónde mire, el segundo giro debe mirar en la otra dirección. Es decir, si designamos nuestras dos partículas (A) y (B), entonces el estado puede, en principio, ser así: |+1(A), -1(B)> (A mira hacia arriba, B mira hacia abajo ). Este es un estado permitido y no viola ninguna restricción impuesta. Otra posibilidad es |-1(A), +1(B)> (viceversa, A abajo, B arriba). También una posible condición. ¿No te recuerda todavía los estados que escribimos un poco antes para el espín de un solo electrón? Porque nuestro sistema de dos partículas, si bien es cuántico y coherente, también puede (y estará) en una superposición de estados |+1(A); -1(B)> + |-1(A); +1(B)>. Es decir, ambas posibilidades se implementan simultáneamente. Como ambas trayectorias de un fotón o ambas direcciones del espín de un electrón.

Medir un sistema de este tipo es mucho más interesante que medir un solo fotón. De hecho, supongamos que medimos el espín de una sola partícula, A. Ya hemos entendido que la medición es un estrés severo para una partícula cuántica, su estado cambiará mucho durante el proceso de medición, se producirá un colapso... Todo eso es cierto. pero en este caso también está la segunda partícula, B, que está estrechamente relacionada con A, ¡tienen una función de onda común! Supongamos que medimos la dirección del giro A y vimos que era +1. Pero A no tiene su propia función de onda (o en otras palabras, su propio estado independiente) para que colapse a |+1>. Todo lo que A tiene es el estado "entrelazado" con B, escrito arriba. Si la medición A da +1 y sabemos que los espines de A y B son antiparalelos, sabemos que el espín de B está hacia abajo (-1). La función de onda del par colapsa a lo que puede, o sólo puede a |+1(A); -1(B)>. La función de onda escrita no nos ofrece otras posibilidades.

¿Nada aún? Piénselo, ¿se conserva el giro completo? Ahora imagine que creamos ese par A, B y dejamos que estas dos partículas se separen en diferentes direcciones, permaneciendo coherentes. Uno (A) voló a Mercurio. Y el otro (B), digamos, a Júpiter. En este mismo momento pasamos por Mercurio y medimos la dirección del giro A. ¿Qué pasó? ¡En ese mismo momento aprendimos la dirección del giro B y cambiamos la función de onda de B! Tenga en cuenta que esto no es en absoluto igual que en los clásicos. Dejemos que dos piedras voladoras giren alrededor de su eje y déjenos saber con certeza que giran en direcciones opuestas. Si medimos el sentido de rotación de uno cuando llega a Mercurio, también sabremos el sentido de rotación del segundo, dondequiera que termine en ese momento, incluso en Júpiter. Pero estas piedras siempre giraban en una determinada dirección, antes de cualquiera de nuestras mediciones. Y si alguien mide una roca que vuela hacia Júpiter, recibirá la misma y bastante definitiva respuesta, independientemente de si medimos algo en Mercurio o no. Con nuestros fotones la situación es completamente diferente. Ninguno de ellos tenía ninguna dirección de giro específica antes de la medición. Si alguien, sin nuestra participación, decidiera medir la dirección del giro B en algún lugar de la región de Marte, ¿qué obtendría? Así es, con un 50% de posibilidades vería +1, con un 50% de posibilidades -1. Este es el estado de B, superposición. Si alguien decide medir el giro B inmediatamente después de que ya hayamos medido el giro A, vimos +1 y causamos el colapso de *toda* la función de onda,
entonces recibirá solo -1 como resultado de la medición, ¡con una probabilidad del 100%! Sólo en el momento de nuestra medición, A finalmente decidió quién debería ser y “eligió” la dirección del giro - y esta elección afectó instantáneamente a *toda* la función de onda y al estado de B, que en este momento ya es Dios sabe dónde.

Este problema se llama "no localidad de la mecánica cuántica". También conocida como paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (paradoja EPR) y, en general, lo que sucede en el borrado está relacionado con esta. Tal vez no entienda algo, por supuesto, pero para mi gusto el borrado es interesante porque es precisamente una demostración experimental de no localidad.

Simplificado, un experimento con borrado podría verse así: creamos pares de fotones coherentes (entrelazados). De uno en uno: una pareja, luego la siguiente, etc. En cada par, un fotón (A) vuela en una dirección y el otro (B) en la otra. Todo es como ya comentamos un poco más arriba. En el camino del fotón B, colocamos una doble rendija y vemos lo que aparece detrás de esta rendija en la pared. Surge un patrón de interferencia, porque cada fotón B, como sabemos, vuela a lo largo de ambas trayectorias, a través de ambas rendijas a la vez (aún recordamos la interferencia con la que comenzamos esta historia, ¿no?). El hecho de que B todavía esté coherentemente conectado con A y tenga una función de onda común con A es bastante púrpura para él. Compliquemos el experimento: cubra una ranura con un filtro que permita que solo pasen fotones con espín +1. Cubrimos el segundo con un filtro que transmite solo fotones con espín (polarización) -1. Seguimos disfrutando del patrón de interferencia, porque en el estado general del par A, B (|+1(A); -1(B)> + |-1(A);+1(B)>, como recuerde), hay estados B con ambos espines. Es decir, la “parte” B puede pasar por un filtro/ranura y la parte por otro. Al igual que antes, una "parte" voló a lo largo de una trayectoria, la otra a lo largo de otra (esto, por supuesto, es una figura retórica, pero el hecho sigue siendo un hecho).

Finalmente, la culminación: en algún lugar de Mercurio, o un poco más cerca, en el otro extremo de la mesa óptica, colocamos un filtro polarizador en el camino de los fotones A, y un detector detrás del filtro. Dejemos claro que este nuevo filtro sólo permite el paso de fotones con espín +1. Cada vez que se activa el detector, sabemos que el fotón A con espín +1 ha pasado (el espín -1 no pasará). Pero esto significa que la función de onda de todo el par colapsó y el "hermano" de nuestro fotón, el fotón B, en este momento sólo tenía un estado posible -1. Todo. El fotón B ahora no tiene "nada" por donde pasar, una ranura cubierta con un filtro que permite que solo pase la polarización +1. Simplemente ya no le queda ese componente. “Reconocer” este fotón B es muy sencillo. Creamos parejas una a la vez. Cuando detectamos que el fotón A pasa a través de un filtro, registramos el momento en que llegó. La una y media, por ejemplo. Esto significa que su “hermano” B volará hacia la pared también a la una y media. Bueno, o al 1:36, si vuela un poco más lejos y, por tanto, más tiempo. Allí también registramos tiempos, es decir, podemos comparar quién es quién y quién está relacionado con quién.

Así, si ahora miramos qué imagen aparece en la pared, no detectaremos ninguna interferencia. El fotón B de cada par pasa por una ranura u otra. Hay dos puntos en la pared. Ahora, retiramos el filtro del camino de los fotones A. Se restablece el patrón de interferencia.

...y finalmente sobre la elección retrasada
La situación se vuelve completamente miserable cuando el fotón A tarda más en llegar a su filtro/detector que el fotón B en llegar a las rendijas. Hacemos la medición (y obligamos a A a resolver y a la función de onda a colapsar) después de que B ya debería haber alcanzado la pared y creado un patrón de interferencia. Sin embargo, aunque medimos A, incluso "más tarde de lo que debería", el patrón de interferencia para los fotones B todavía desaparece. Quitamos el filtro de A y se restaura. Esto ya es un borrado retrasado. No puedo decir que entienda bien con qué lo comen.

Modificaciones y aclaraciones.
Todo iba bien, sujeto a inevitables simplificaciones, hasta que construimos un dispositivo con dos fotones entrelazados. Primero, el fotón B experimenta interferencia. No parece funcionar con filtros. Debes cubrirlo con placas que cambian la polarización de lineal a circular. Esto ya es más difícil de explicar 😦 Pero esto no es lo principal. Lo principal es que cuando tapamos las rendijas con diferentes filtros, la interferencia desaparece. No en el momento en que medimos el fotón A, sino inmediatamente. El truco es que al instalar los filtros de placas, "marcamos" los fotones B. En otras palabras, los fotones B llevan información adicional que nos permite saber exactamente qué trayectoria siguieron. *Si* medimos el fotón A, entonces podremos descubrir exactamente qué trayectoria siguió B, lo que significa que B no experimentará interferencias. ¡La sutileza es que no es necesario “medir” físicamente A! Aquí es donde me equivoqué gravemente la última vez. No es necesario medir A para que desaparezca la interferencia. Si es *posible* medir y descubrir cuál de las trayectorias tomó el fotón B, entonces en este caso no habrá interferencia.

De hecho, esto todavía se puede experimentar. Allí, en el enlace de abajo, la gente de alguna manera se encoge de manos con cierta impotencia, pero en mi opinión (¿tal vez me equivoque otra vez? 😉) la explicación es esta: al poner filtros en las ranuras, ya hemos cambiado mucho el sistema. No importa si realmente registramos la polarización o la trayectoria por la que pasó el fotón o agitamos la mano en el último momento. Es importante que hayamos "preparado" todo para la medición y que ya hayamos influido en los estados. Por lo tanto, no hay necesidad de "medir" realmente (en el sentido de un observador humanoide consciente que trajo un termómetro y registró el resultado en un diario). En cierto sentido, todo (en el sentido del impacto en el sistema) ya ha sido “medido”. La afirmación suele formularse de la siguiente manera: “*si* medimos la polarización del fotón A, entonces conoceremos la polarización del fotón B y, por tanto, su trayectoria, y dado que el fotón B vuela a lo largo de una determinada trayectoria, entonces no habrá interferencia; ni siquiera tenemos que medir el fotón A; basta con que esta medición sea posible; el fotón B sabe que se puede medir y se niega a interferir”. Hay algo de mistificación en esto. Bueno, sí, se niega. Simplemente porque el sistema fue preparado de esa manera. Si el sistema tiene información adicional (hay una manera) para determinar cuál de las dos trayectorias siguió el fotón, entonces no habrá interferencia.

Si le digo que arreglé todo para que el fotón vuele a través de una sola ranura, ¿comprenderá inmediatamente que no habrá interferencia? Puedes correr para comprobar (“medir”) y asegurarte de que estoy diciendo la verdad, o puedes creerlo de esa manera. Si no mentí, entonces no habrá interferencia, independientemente de si te apresuras a revisarme o no :) En consecuencia, la frase "se puede medir" en realidad significa "el sistema está preparado de una manera tan especial que... .”. Está preparado y preparado, es decir, todavía no hay ningún colapso en este lugar. Hay fotones "etiquetados" y no hay interferencia.

Luego, por qué, de hecho, el borrado es todo esto, nos dicen: actuemos en el sistema de tal manera que "borremos" estas marcas de los fotones B, entonces comenzarán a interferir nuevamente. Un punto interesante, que ya hemos abordado, aunque en un modelo erróneo, es que los fotones B pueden dejarse intactos y las placas en las ranuras. Se puede tirar del fotón A y, al igual que durante el colapso, un cambio en su estado provocará (no localmente) un cambio en la función de onda total del sistema, de modo que ya no tendremos información suficiente para determinar por qué rendija pasó el fotón B. Es decir, insertamos un polarizador en la trayectoria del fotón A: se restablece la interferencia de los fotones B. Con el retraso, todo es igual: hacemos que el fotón A tarde más en volar hasta el polarizador que el B en llegar a las rendijas. ¡Y aún así, si A tiene un polarizador en camino, entonces B interfiere (aunque, por así decirlo, "antes" de que A alcance el polarizador)!