Introducción
¿Cómo surge la realidad objetiva de la paleta de posibilidades que ofrece la mecánica cuántica? Esa pregunta, la cuestión más profunda y controvertida que plantea la teoría, sigue siendo objeto de argumentos de un siglo de antigüedad. Las posibles explicaciones de cómo las observaciones del mundo producen resultados "clásicos" definidos, basándose en diferentes interpretaciones de lo que significa la mecánica cuántica, solo se han multiplicado durante esos cien años.
Pero ahora podemos estar listos para eliminar al menos un conjunto de propuestas. Experimentos recientes han movilizado la extrema sensibilidad de los instrumentos de física de partículas para probar la idea de que el "colapso" de las posibilidades cuánticas en una sola realidad clásica no es solo una conveniencia matemática sino un proceso físico real, una idea llamada "colapso físico". Los experimentos no encuentran evidencia de los efectos predichos por al menos las variedades más simples de estos modelos de colapso.
Todavía es demasiado pronto para decir definitivamente que no se produce el colapso físico. Algunos investigadores creen que los modelos aún podrían modificarse para escapar de las restricciones impuestas por los resultados nulos de los experimentos. Pero si bien “siempre es posible rescatar cualquier modelo”, dijo Sandro Donadi, físico teórico del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) de Trieste, Italia, que dirigió uno de los experimentos, duda que “la comunidad siga modificando los modelos [indefinidamente], ya que no habrá mucho que aprender haciendo eso." La soga parece estar apretándose en este intento de resolver el mayor misterio de la teoría cuántica.
¿Qué causa el colapso?
Los modelos de colapso físico tienen como objetivo resolver un dilema central de la teoría cuántica convencional. En 1926 Erwin Schrodinger afirmado que un objeto cuántico es descrito por una entidad matemática llamada función de onda, que encapsula todo lo que se puede decir sobre el objeto y sus propiedades. Como su nombre lo indica, una función de onda describe un tipo de onda, pero no física. Más bien, es una "onda de probabilidad", que nos permite predecir los diversos resultados posibles de las mediciones realizadas en el objeto y la posibilidad de observar cualquiera de ellos en un experimento determinado.
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Si se realizan muchas mediciones en tales objetos cuando se preparan de manera idéntica, la función de onda siempre predice correctamente la distribución estadística de los resultados. Pero no hay forma de saber cuál será el resultado de una sola medición: la mecánica cuántica solo ofrece probabilidades. ¿Qué determina una observación específica? En 1932, el físico matemático John von Neumann propuso que, cuando se realiza una medición, la función de onda se “colapsa” en uno de los posibles resultados. El proceso es esencialmente aleatorio pero sesgado por las probabilidades que codifica. La mecánica cuántica en sí misma no parece predecir el colapso, que debe agregarse manualmente a los cálculos.
Como truco matemático ad hoc, funciona bastante bien. Pero a algunos investigadores les pareció (y les sigue pareciendo) un juego de manos insatisfactorio. Einstein lo comparó con Dios jugando a los dados para decidir qué se vuelve "real", lo que realmente observamos en nuestro mundo clásico. El físico danés Niels Bohr, en su llamada interpretación de Copenhague, simplemente pronunció el problema fuera de los límites, diciendo que los físicos simplemente tenían que aceptar una distinción fundamental entre los regímenes cuántico y clásico. Por el contrario, en 1957, el físico Hugh Everett afirmó que el colapso de la función de onda es solo una ilusión y que, de hecho, todos los resultados se realizan en un número casi infinito de universos ramificados, lo que los físicos ahora llaman "muchos mundos."
Lo cierto es que “todavía se desconoce la causa fundamental del colapso de la función de onda”, dijo Inwook Kim, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. “¿Por qué y cómo ocurre?”
En 1986, los físicos italianos Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini y Tullio Weber sugiere una respuesta. ¿Y si, decían, la ecuación de onda de Schrödinger no fuera toda la historia? Ellos postularon que un sistema cuántico es empujado constantemente por alguna influencia desconocida que puede inducirlo a saltar espontáneamente a uno de los posibles estados observables del sistema, en una escala de tiempo que depende de qué tan grande sea el sistema. Un sistema pequeño y aislado, como un átomo en una superposición cuántica (un estado en el que son posibles varios resultados de medición), permanecerá así durante mucho tiempo. Pero los objetos más grandes, un gato, por ejemplo, o un átomo cuando interactúa con un dispositivo de medición macroscópico, colapsan en un estado clásico bien definido casi instantáneamente. Este llamado modelo GRW (después de las iniciales del trío) fue el primer modelo de colapso físico; después refinamiento conocido como el modelo de localización espontánea continua (CSL, por sus siglas en inglés) implicó un colapso gradual y continuo en lugar de un salto repentino. Estos modelos no son tanto interpretaciones de la mecánica cuántica como adiciones a ella, dijo el físico Magdalena Zych de la Universidad de Queensland en Australia.
¿Qué es lo que provoca esta localización espontánea a través del colapso de la función de onda? Los modelos GRW y CSL no dicen; simplemente sugieren agregar un término matemático a la ecuación de Schrödinger para describirla. Pero en las décadas de 1980 y 90, los físicos matemáticos Roger Penrose de la Universidad de Oxford y Lajos Diósi de la Universidad Eötvös Loránd de Budapest propusieron de forma independiente una posible causa del colapso: la gravedad. En términos generales, su idea era que si un objeto cuántico está en una superposición de ubicaciones, cada estado de posición "sentirá" a los demás a través de su interacción gravitacional. Es como si esta atracción hiciera que el objeto se midiera a sí mismo, forzando un colapso. O si lo miras desde la perspectiva de la relatividad general, que describe la gravedad, una superposición de localidades deforma el tejido del espacio-tiempo de dos maneras diferentes a la vez, una circunstancia que la relatividad general no puede acomodar. Como ha dicho Penrose, en un enfrentamiento entre la mecánica cuántica y la relatividad general, la cuántica se romperá primero.
La prueba de la verdad
Estas ideas siempre han sido altamente especulativas. Pero, en contraste con las explicaciones de la mecánica cuántica como las interpretaciones de Copenhague y Everett, los modelos de colapso físico tienen la virtud de hacer predicciones observables y, por lo tanto, ser comprobables y falsables.
Si de hecho hay una perturbación de fondo que provoca el colapso cuántico, ya sea que provenga de efectos gravitacionales o de otra cosa, entonces todas las partículas estarán interactuando continuamente con esta perturbación, ya sea que estén en una superposición o no. En principio, las consecuencias deberían ser detectables. La interacción debería crear un "zigzagueo permanente de partículas en el espacio" comparable al movimiento browniano, dijo Catalina Curceanu, física del INFN.
Los modelos actuales de colapso físico sugieren que este movimiento de difusión es muy leve. No obstante, si la partícula está cargada eléctricamente, el movimiento generará radiación electromagnética en un proceso llamado bremsstrahlung. Por lo tanto, un trozo de materia debería emitir continuamente una corriente muy débil de fotones, que las versiones típicas de los modelos predicen que están en el rango de rayos X. Donadi y su colega Ángel Bassi tienen mostrado que se espera la emisión de dicha radiación de cualquier modelo de colapso dinámico espontáneo, incluido el modelo Diósi-Penrose.
Sin embargo, “si bien la idea es simple, en la práctica la prueba no es tan fácil”, dijo Kim. La señal predicha es extremadamente débil, lo que significa que un experimento debe involucrar una enorme cantidad de partículas cargadas para obtener una señal detectable. Y el ruido de fondo, que proviene de fuentes como los rayos cósmicos y la radiación del medio ambiente, debe mantenerse bajo. Esas condiciones solo pueden ser satisfechas por los experimentos más extremadamente sensibles, como los diseñados para detectar señales de materia oscura o las escurridizas partículas llamadas neutrinos.
En 1996, Qijia Fu de Hamilton College en Nueva York, entonces solo estudiante de pregrado, propuesto utilizando experimentos de neutrinos basados en germanio para detectar una firma CSL de emisión de rayos X. (Semanas después de que envió su trabajo, fue alcanzado por un rayo en un viaje de senderismo en Utah y murió). La idea era que los protones y electrones en el germanio deberían emitir la radiación espontánea, que los detectores ultrasensibles captarían. Sin embargo, solo recientemente se han puesto en línea instrumentos con la sensibilidad requerida.
En 2020, un equipo en Italia, que incluía a Donadi, Bassi y Curceanu, junto con Diósi en Hungría, utilizó un detector de germanio de este tipo para probar el modelo Diósi-Penrose. Los detectores, creados para un experimento de neutrinos llamado IGEX, están protegidos de la radiación en virtud de su ubicación debajo del Gran Sasso, una montaña en la cordillera de los Apeninos de Italia.
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Después de restar cuidadosamente la señal de fondo restante, en su mayoría radiactividad natural de la roca, los físicos no vi ninguna emisión a un nivel de sensibilidad que descartó la forma más simple del modelo Diósi-Penrose. Ellos también puso límites fuertes sobre los parámetros dentro de los cuales varios modelos de CSL podrían seguir funcionando. El modelo GRW original se encuentra justo dentro de esta estrecha ventana: sobrevivió por un pelo.
En un artículo publicado este agosto, el resultado de 2020 fue confirmado y fortalecido por un experimento llamado Majorana Demonstrator, que se estableció principalmente para buscar partículas hipotéticas llamadas Majorana neutrinos (que tienen la curiosa propiedad de ser sus propias antipartículas). El experimento está alojado en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, que se encuentra a casi 5,000 pies bajo tierra en una antigua mina de oro en Dakota del Sur. Tiene una matriz más grande de detectores de germanio de alta pureza que IGEX, y pueden detectar rayos X hasta energías bajas. “Nuestro límite es mucho más estricto en comparación con el trabajo anterior”, dijo Kim, miembro del equipo.
un final desordenado
Aunque los modelos de colapso físico están gravemente enfermos, no están del todo muertos. “Los diversos modelos hacen suposiciones muy diferentes sobre la naturaleza y las propiedades del colapso”, dijo Kim. Las pruebas experimentales ahora han excluido las posibilidades más plausibles para estos valores, pero todavía hay una pequeña isla de esperanza.
Los modelos de localización espontánea continua proponen que la entidad física que perturba la función de onda es una especie de "campo de ruido", que las pruebas actuales suponen que es ruido blanco: uniforme en todas las frecuencias. Esa es la suposición más simple. Pero es posible que el ruido esté "coloreado", por ejemplo, al tener algún corte de alta frecuencia. Curceanu dijo que probar estos modelos más complicados requerirá medir el espectro de emisión a energías más altas de lo que ha sido posible hasta ahora.
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El experimento Majorana Demonstrator ahora está llegando a su fin, pero el equipo está formando una nueva colaboración con un experimento llamado Gerda, con sede en Gran Sasso, para crear otro experimento que investigue la masa de los neutrinos. Llamó Leyenda, tendrá conjuntos de detectores de germanio más masivos y, por lo tanto, más sensibles. "La leyenda puede ser capaz de ampliar aún más los límites de los modelos CSL", dijo Kim. también hay propuestas para las pruebas estos modelos en experimentos basados en el espacio, que no sufrirán el ruido producido por las vibraciones ambientales.
La falsificación es un trabajo duro y rara vez llega a un punto final ordenado. Incluso ahora, según Curceanu, Roger Penrose, a quien se le otorgó el 2020 Premio Nobel de Física por su trabajo sobre la relatividad general— está trabajando en una versión del modelo Diósi-Penrose en el que no hay radiación espontánea en absoluto.
De todos modos, algunos sospechan que para esta visión de la mecánica cuántica, la escritura está en la pared. “Lo que debemos hacer es repensar qué intentan lograr estos modelos”, dijo Zych, “y ver si los problemas que los motivan pueden tener una mejor respuesta a través de un enfoque diferente”. Si bien pocos argumentarían que el problema de la medición ya no es un problema, también hemos aprendido mucho, en los años transcurridos desde que se propusieron los primeros modelos de colapso, sobre lo que implica la medición cuántica. “Creo que debemos volver a la cuestión de para qué se crearon estos modelos hace décadas”, dijo, “y tomar en serio lo que hemos aprendido mientras tanto”.
