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Domina la mecánica cuántica con unas gotas de aceite (VÍDEOS)

02/11/2013 14:54 CET | Actualizado 02/11/2013 14:55 CET
Dan Harris/MIT

Si la mecánica cuántica es ya difícil de entender, el hecho de que una partícula pueda ser una onda y ésta a su vez comportarse como una partícula escapa a nuestros sentidos. Sin embargo, es uno de los elementos básicos de esta teoría que explica las reglas que gobiernan este mundo. A esa incomprensión puede ayudar que aquella dualidad sólo se observa a nivel subatómico. Pero ahora, con unas gotas de aceite, basta para pasar el examen de física cuántica.

Durante siglos, los físicos se enzarzaron en comprender la naturaleza de la materia. La batalla más feroz tenía que ver con la luz. ¿Estaba formada por corpúsculos? ¿O viajaba como ondas? Ganó la primera de las ideas, defendida por Isaac Newton. Ni siquiera experimentos tan sorprendentes como el realizado por Thomas Young a comienzos del siglo XIX consiguieron derribar la teoría corpuscular newtoniana.

Young comprobó que la luz se comportaba como ondas. En su versión moderna, al proyectar un rayo de luz sobre una placa con una rendija, el haz de luz que pasa por ella forma una banda al chocar con una segunda placa fotosensible. Pero la lógica desaparece si en vez de una rendija hay dos paralelas. En la placa posterior no aparecen dos bandas como ocurriría si la luz estuviera formada por partículas, en realidad aparecen varias franjas. Sólo algo en forma de ondas que interfieren entre sí podría provocar ese patrón con zonas clareadas y zonas oscuras.

Un siglo después, en plena ebullición de la mecánica cuántica, el físico francés Louis de Broglie fue el primero que describió de forma teórica la dualidad onda-partícula. El propio Einstein, que no las tuvo todas consigo al principio, acabó por apoyar la idea. Tiempo después, experimentos de doble rendija con electrones confirmaron la prueba de Young y la doble naturaleza de las partículas subatómicas.

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Pero para la mayoría, la idea sigue pareciendo extraña. Además de ser contra intuitiva, en el nivel macroscópico, el que nuestros sentidos pueden percibir, no se observan este tipo de fenómenos. Por ejemplo, si se colocan dos planchas en un recipiente con agua, la primera con la doble rendija y la segunda con un sensor para medir la presión, al provocar olas (ondas) en el agua, ésta no impacta de forma uniforme contra la segunda plancha.

En realidad, lo hace dibujando un patrón de zonas de mayor y menor impacto. La razón de esto es que, allí donde dos picos de onda se encuentran amplían su intensidad, mientras en el resto se cancelan. Pero, si en vez de olas, lo que se lanzan son pelotas de tenis, las que pasen por las dos rendijas dibujaran una doble marca sobre la pared del fondo y nada más. En el mundo de lo visible, o se es onda o se es partícula.

Sin embargo, el último número de la revista científica Physics World muestra la dualidad onda-partícula con unas gotas de aceite. Desde 2005 se han venido realizando una serie de experimentos que, por primera vez, demuestran este extraño fenómeno del mundo cuántico a nivel macroscópico. La primera de las demostraciones la realizaron dos físicos franceses, Yves Couder y Emmanuel Fort, de la Universidad París Diderot.

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En un recipiente colocado sobre un disco vibratorio echaron aceite de baño y lo pusieron a vibrar. Entonces fueron dejando caer nuevas gotas de aceite. En vez de mezclarse con el resto, las gotas rebotaban y su rebote provocaba una onda en el aceite base, pero no lo hacían de forma caótica. Modulando la frecuencia de vibración del plato, los físicos comprobaron que las gotas caminaban a lomos de la cresta de una onda. Ni rebotaban en las zonas de valle ni saltaban a la cresta de otra onda. Se movían hacia el exterior del plato siempre botando sobre su onda hasta que, al llegar al borde, saltaban por encima y la onda moría. La una no podía existir sin la otra. Era el primer ejemplo visible de la dualidad partícula-onda.

Al año siguiente, intentaron replicar con aceite el experimento de Young. La mayoría de sus gotas chocaban con la plancha que habían colocado en el recipiente. Pero las que pasaban por la rendija lo hacían acompañadas de su onda. Parecía que lo hacían en direcciones al azar, pero tras analizar el movimiento de 70 de ellas vieron que reproducían un patrón de interferencia similar al de la luz.

Desde entonces, otros científicos se han unido a los dos franceses en sus pruebas con el aceite y otros fluidos y han ido comprobando que otros aspectos de la mecánica cuántica también se pueden observar a simple vista, como la tunelización cuántica o la cuantización de Landau en campos magnéticos.

Este año, investigadores del MIT, con la colaboración de los galos, comprobaron que el aceite también replicaba otro extraño fenómeno, el confinamiento cuántico. En el experimento, los investigadores pusieron a vibrar una bandeja poco profunda y la cubrieron con aceite de silicona, ajustando la vibración para provocar ondas. Entonces empezaron a echar más aceite gota a gota. Como ya vieron Couder y Fort, las gotas rebotaban provocando su propia onda.

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Pero aquí las ondas acababan chocando contra el borde, confinando las gotas que comenzaron a interferir unas con otras. Sorprendentemente, ninguna chocaba con la otra. Aún mas extraño, aunque sus movimientos parecían caóticos, con el tiempo vieron que se reproducía un patrón: las gotas se movían en determinadas zonas de la bandeja circular, en particular cerca del centro. Además, su frecuencia se iba reduciendo a medida que se alejaban del centro, pero lo hacía en formas concéntricas en las que la distancia entre unas y otras estaba determinada por la longitud de onda de las ondas sobre ls que se movían. Así es como comportan los electrones en un confinamiento cuántico.

El artículo de Physics World reconoce que las gotas de aceite aún no reproducen otros fenómenos observados en la mecánica cuántica, como el entrelazamiento cuántico. Predicho por Einstein, y otros dos colegas, Podolsky y Rosen, muestra la conexión instantánea entre dos partículas entrelazadas. Si una cambia su estado, la otra también lo hace, aunque esté en el otro extremo del universo. El fenómeno fue demostrado en un experimento por otro físico francés a comienzos de los años 80. Quizá sea el nuevo objetivo de sus colegas y sus gotas de aceite.