‘Una sonrisa sin un gato’, como Lewis Carroll describe la forma misteriosa en la que el gato de Cheshire desaparece, dejando a su sonrisa en su clásico 1865, Alicia en el País de las Maravillas. El personaje fantasioso plantea una pregunta que ha capturado la atención de los físicos en los últimos años: ¿Puede un objeto ser separado de sus propiedades?
En 2013, Yakir Aharonov y sus co-autores diseñaron un experimento que sugiere que un fotón se puede separar de su polarización (una propiedad que dice la dirección en la que una onda oscila). Al año siguiente, Tobias Denkmayr y co-autores llevaron a cabo un experimento similar en el que los neutrones parecían estar separados de su spin (una propiedad que involucra el momento angular). El grupo de Aharonov llama a este efecto de ‘gato de Chesire cuántico’.
Sin embargo, en un nuevo artículo publicado en el New Journal of Physics, se cuestiona esta interpretación de los resultados. En lugar de una partícula a ser separada de sus propiedades, sugieren que los resultados pueden explicarse por un efecto cuántico estándar, de interferencia cuántica, en la que una partícula individual interfiere con ella misma debido a sus propiedades de onda.
La posibilidad de separar una partícula de una de sus propiedades intrínsecas, como es sugerido por Aharonov y co-autores, es bastante intrigante y cuestiona una noción muy básica, por la cual las propiedades de las cosas son siempre con las cosas en sí. Nadie ve colores andando sin los objetos que las cargan, por ejemplo. El experimento realizado. El experimento realizado por Denkmayr, y otros, lo hace todavía más intrigante, cómo este fenómeno completamente extraño sucede en el mundo físico. Lo realizado en el artículo consiste en llevar sus resultados (que son completamente correcto) para proponer una explicación donde ninguna partícula es separada de sus propiedades y, por tanto, no hay ninguna paradoja.
Historias de desconocidos
La base de la controversia reside en el intento de realidad física de atributo a una situación que simplemente no puede ser percibida como realidad física. En este caso, la situación que no puede ser considerada físicamente real es la historia pasada de partículas viajando a través de un interferómetro.
Un interferómetro permite que las partículas viajen hasta uno de los dos brazos, y el dispositivo fue originalmente utilizado para demostrar el gato de Chesire cuántico. En esos experimentos, los físicos pensaron que podría decirse en cuál brazo un fotón o neutrón había viajado a través de mediciones de la partícula después de que el dispositivo fuese desconectado. En el caso de los fotones, por ejemplo, un desplazamiento de fotones por una determinada cuantía parecía indicar que los fotones deben haber viajado, digamos, para el brazo izquierdo, desde un dispositivo en el brazo izquierdo (como una hoja de vidrio) había sido colocado allí específicamente para desplazar los fotones en la misma proporción. Al mismo tiempo, medidas de polarización de los fotones parecían indicar que los fotones deben haber viajado en el brazo derecho por razones semejantes.
Los físicos en experimentos previos concluyeron, lógicamente, que los fotones estaban en el brazo izquierdo, mientras que su polarización estaba en el brazo derecho. Pero en el nuevo estudio interpretan los resultados de manera diferente, sugiriendo que las mediciones de desplazamiento de fotones hechas después de los fotones haber cerrado el interferómetro no pueden revelar informaciones sobre sus trayectorias pasadas – es decir, las mediciones no pueden decir que los fotones viajaron a través del brazo.
La razón de que no se puede hacer una suposición tan aparentemente simple, explican los físicos, es la interferencia cuántica. A medida que los fotones viajan a través del interferómetro, sus posiciones son medidas por el radio de propagación del fotón. Un rayo suficientemente grande puede hacer una ‘medición fuerte’, causando un gran desplazamiento de posición de un fotón y permitiendo que los investigadores determinen cuál brazo el fotón atravesó. Sin embargo, los científicos en los estudios anteriores utilizaron ‘mediciones débiles’, que no permiten determinar en cuál brazo el fotón viajó a través de un pequeño desplazamiento.
En el caso de la medición débil considerada por Aharonov y compañeros, los desplazamientos son pequeños en comparación con el diámetro del haz, y, por tanto, cada parte del haz asociado y polarizado con cada brazo es superpuesto con todos los otros. Eso caracteriza la interferencia y nos impide asociar la posición de detección de la propagación del fotón en el estado a través de cada brazo o polarización. La paradoja de tener un fotón en algún lugar y su polarización en otro lugar no existe si el problema es visto por ese ángulo. El único misterio que resta es la extrañeza de costumbre en la mecánica cuántica, donde las partículas pueden ser detectadas individualmente, mientras su propagación satisface las propiedades ondulatorias.
El interferómetro de set-up con dos brazos utilizados por Aharonov en su trabajo de 2013.
Diferentes interpretaciones
El nuevo artículo pone de relieve una característica clave de la mecánica cuántica, en la que la interpretación juega un papel clave en la comprensión del mundo cuántico. Mientras que el artículo sugiere que el efecto cuántico del gato de Cheshire no puede ser exacto, la interferencia cuántica también es desconcertante, aunque más familiar. Con tantas maneras de interpretar los resultados, inevitablemente surgieron controversias y paradojas. Después de un siglo de investigación del campo de la mecánica cuántica, los físicos saben que el sentido común no es confiable, pero ellos nunca pueden saber con certeza lo que puede ser.
De ninguna manera se trata de una respuesta definitiva. Como es habitual en la ciencia, nuevas explicaciones siempre pueden aparecer y son siempre bienvenidas, y esto es lo que caracteriza su desarrollo En realidad, no, no podemos decir que estos nuevos estudios prueben que los autores estén equivocados en su interpretación – simplemente proveen una interpretación diferente de los resultados originales.
Después de todo, tanto Aharonov como Denkmayr propusieron una aplicación útil de esta separación de partículas y propiedades [mediciones de alta precisión que separan diferentes propiedades de una partícula] pero en las observaciones finales del último estudio se presentan argumentos a la luz de la mecánica cuántica habitual. Esto también puede ofrecer un camino posible para planear una prueba experimental que diría si la partícula y sus propiedades intrínsecas están en realidad en lugares diferentes. Entonces nosotros podríamos pensar la posibilidad de tener una respuesta física precisa para la interpretación.
