Átomos y espejos para experimento de estados cuánticos
En un intento por refutar la interpretación de Copenhague de la teoría cuántica y el principio de incertidumbre Heisenberg, Einstein introdujo un experimento mental que ha sido realizado hoy con un haz de átomos de argón excitados por láser a través de un espejo. Las observaciones muestran que un átomo puede entonces simultáneamente aproximarse y alejarse del espejo en conformidad con el principio de superposición de estados cuánticos.
Albert Einstein es uno de los fundadores de la teoría cuántica y ha sido durante mucho tiempo el científico más lúcido sobre la necesidad de tomar en serio la existencia física de la energía cuántica, introducida por Planck para explicar la radiación del cuerpo negro. Einstein comprende que no puede tratarse de una simple restricción de los intercambios de energía entre la materia y la radiación y que uno se ve obligado a admitir que la propia luz tiene un aspecto corpuscular. También es el primero en introducir el cálculo de probabilidades en la física cuántica, en los procesos de emisión estimulada y espontánea de un átomo. Este descubrimiento está detrás del funcionamiento de los láseres.
Sin embargo, en 1927, se opuso los ortodoxos de la mecánica cuántica y propuso algunos ingeniosos experimentos mentales, como su famoso cuadro de fotones o la paradoja EPR . Uno de estos experimentos fue tratar de medir simultáneamente la posición exacta y el impulso de un fotón. Las mediciones se realizaron con un dispositivo de doble rendija con el que se podía determinar si un fotón había pasado mientras se mide un cambio en el momento del fotón con el paso del dispositivo de doble rendija. A primera vista, parece permitir a ese dispositivo violar la medida del principio de incertidumbre de Heisenberg, que impide la asignación simultánea de un valor preciso de posición y velocidad a una partícula cuántica (ya sea un fotón, un electrón o un átomo). Pero como el dispositivo con ranura tiene que ser descrito por la física cuántica, también debe aplicárse el principio de Heisenberg.
En última instancia, la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica de Niels Bohr stá confirmada y no hay manera de violar el principio de incertidumbre de Heisenberg.
El experimento mental de la <strong>doble rendija de Einstein</strong>. Una de las ranuras está equipada con un dispositivo para medir el paso de un fotón por un descenso debido a una transferencia de cantidad de movimiento. Se tratará de determinar por qué rendija ha pasado el fotón, se observa en una pantalla a la derecha de franjas de interferencia. © Nature / Bohr
Una variante de este experimento mental como ya se ha hecho con otros sistemas cuánticos, ahora se ha materializado por un grupo de investigadores de Alemania y Austria.
Estados cuánticos
Los investigadores comenzaron por producir un haz de átomos de argón que pasaba muy cerca de la superficie de un espejo. En ese momento, un rayo láser excita un electrón en uno de estos átomos. Un proceso de emisión espontánea es el electrón a un nivel de energía más bajo y un fotón es emitido. En algunos casos, el fotón se emite hacia el espejo que se refleja en una dirección idéntica a la de una emisión directa de un fotón en la dirección de un observador. Como cada vez que el átomo experimenta una disminución de la cantidad de movimiento de datos, se deduce que el átomo mismo se encuentra en una superposición de estados de movimiento.
La emisión espontánea de un átomo en frente de un espejo a veces produce una situación en la que un cuanto no puede decir si el fotón fue emitido por el átomo sin verse reflejado en el espejo o si es un reflejo de lo que realmente sucedió. © Technical University of Viena
En algunos casos se aproximba y alejaba el espejo. La situación es entonces similar a la de un fotón que pasa por ambas rendijas al mismo tiempo como en el dispositivo establecido por Einstein en su experimento mental.
Sin embargo, existe una diferencia importante.
Normalmente, la emisión de un fotón por un átomo a través de dos caminos simultáneamente en el caso de un experimento con ondas de materia que pasa a través de una doble rendija se mide por lo que el camino del átomo ha pasado. Luego está la destrucción de la superposición de estados. De hecho, es lo contrario a lo que está ocurriendo aquí, la existencia de una emisiónproduce un estado de superposición, cuando el haz de átomos se encuentra cerca del espejo.
Podemos demostrar esto al someter a un experimento de interferencia de superposición con las ondas de materia en un estado de superposición de dos estados de movimiento. Se producen franjas de interferencia desaparece cuando el haz de átomos de argón va lo suficientemente lejos en el espejo. Todos los detalles del experimento los podrás encontrar en un enlace al artículo de Nature que figura a continuación.
Más información
Single spontaneous photon as a coherent beamsplitter for an atomic matter-wave