By: Natalie Wolchover
Experimentos recientes muestran que las partículas deberían poder ir más rápido que la luz cuando hacen un “túnel” mecánico cuántico a través de las paredes.
an pronto como se descubrieron las ecuaciones radicales de la mecánica cuántica, los físicos identificaron uno de los fenómenos más extraños que permite la teoría.
El “túnel cuántico” muestra cuán profundamente las partículas como los electrones se diferencian de las cosas más grandes. Lanza una pelota a la pared y rebota hacia atrás; déjalo rodar hasta el fondo de un valle y se queda allí. Pero una partícula saltará ocasionalmente a través de la pared. Tiene la posibilidad de “deslizarse por la montaña y escapar del valle”, como escribieron dos físicos en Nature en 1928, en una de las primeras descripciones de la construcción de túneles.
Los físicos vieron rápidamente que la capacidad de las partículas para atravesar barreras resolvía muchos misterios. Explicó varios enlaces químicos y desintegraciones radiactivas y cómo los núcleos de hidrógeno en el sol pueden superar su repulsión mutua y fusionarse, produciendo luz solar.
Pero los físicos empezaron a sentir curiosidad, levemente al principio, luego morbosamente. Se preguntaron cuánto tiempo tarda una partícula en atravesar una barrera.
El problema era que la respuesta no tenía sentido.
El primer cálculo tentativo del tiempo de tunelización apareció impreso en 1932. Incluso las puñaladas anteriores podrían haberse hecho en privado, pero “cuando obtienes una respuesta que no puedes entender, no la publicas”, señaló Aephraim Steinberg . físico de la Universidad de Toronto.
No fue hasta 1962 que un ingeniero de semiconductores de Texas Instruments llamado Thomas Hartman escribió un artículo que abrazó explícitamente las impactantes implicaciones de las matemáticas.
Hartman descubrió que una barrera parecía actuar como un atajo. Cuando una partícula hace un túnel, el viaje toma menos tiempo que si la barrera no estuviera allí. Aún más asombroso, calculó que engrosar una barrera difícilmente aumenta el tiempo que tarda una partícula en atravesarla. Esto significa que con una barrera lo suficientemente gruesa, las partículas podrían saltar de un lado a otro más rápido que la luz que viaja la misma distancia a través del espacio vacío.
En resumen, el túnel cuántico parecía permitir un viaje más rápido que la luz, una supuesta imposibilidad física.
“Después del efecto Hartman, fue entonces cuando la gente empezó a preocuparse”, dijo Steinberg.
La discusión se disparó durante décadas, en parte porque la cuestión del tiempo de túnel parecía arañar algunos de los aspectos más enigmáticos de la mecánica cuántica. “Es parte del problema general de qué es el tiempo, cómo medimos el tiempo en mecánica cuántica y cuál es su significado”, dijo Eli Pollak , físico teórico del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel. Los físicos eventualmente derivaron al menos 10 expresiones matemáticas alternativas para el tiempo de tunelización, cada una reflejando una perspectiva diferente sobre el proceso de tunelización. Ninguno resolvió el problema.
Pero la cuestión del tiempo de túnel está regresando, impulsada por una serie de experimentos virtuosos que han medido con precisión el tiempo de túnel en el laboratorio.
En la medición más elogiada hasta la fecha, publicada en Nature en julio, el grupo de Steinberg en Toronto utilizó lo que se llama el método del reloj de Larmor para medir cuánto tiempo tardaron los átomos de rubidio en atravesar un campo láser repulsivo.
“El reloj Larmor es la mejor y más intuitiva forma de medir el tiempo de túnel, y el experimento fue el primero en medirlo muy bien”, dijo Igor Litvinyuk , físico de la Universidad Griffith en Australia, quien informó una medición diferente del tiempo de túnel en la naturaleza. el año pasado.
Luiz Manzoni , físico teórico del Concordia College en Minnesota, también encuentra convincente la medición del reloj Larmor. “Lo que miden es realmente el tiempo de tunelización”, dijo.
Los experimentos recientes están atrayendo nueva atención sobre un problema no resuelto. En las seis décadas transcurridas desde el artículo de Hartman, no importa cuán cuidadosamente los físicos hayan redefinido el tiempo de túnel o con qué precisión lo hayan medido en el laboratorio, han descubierto que el efecto túnel cuántico exhibe invariablemente el efecto Hartman. La construcción de túneles parece ser incurable y robustamente superluminal.
“¿Cómo es posible que [una partícula de túnel] viaje más rápido que la luz?” Dijo Litvinyuk. “Era puramente teórico hasta que se hicieron las mediciones”.
¿Qué hora?
El tiempo de tunelización es difícil de precisar porque la realidad misma lo es.
En la escala macroscópica, el tiempo que tarda un objeto en ir de A a B es simplemente la distancia dividida por la velocidad del objeto. Pero la teoría cuántica nos enseña que el conocimiento preciso tanto de la distancia como de la velocidad está prohibido.
En la teoría cuántica, una partícula tiene un rango de posibles ubicaciones y velocidades. Entre estas opciones, las propiedades definidas cristalizan de alguna manera en el momento de la medición. Cómo sucede esto es una de las preguntas más profundas.
El resultado es que hasta que una partícula golpea un detector, está en todas partes y en ninguna parte en particular. Esto hace que sea realmente difícil decir cuánto tiempo pasó la partícula anteriormente en algún lugar, como dentro de una barrera. “No se puede decir qué tiempo pasa allí”, dijo Litvinyuk, “porque puede ser simultáneamente dos lugares al mismo tiempo”.
Para comprender el problema en el contexto de la construcción de túneles, imagine una curva de campana que represente las posibles ubicaciones de una partícula. Esta curva de campana, llamada paquete de ondas, está centrada en la posición A. Ahora imagine el paquete de ondas viajando, como un tsunami, hacia una barrera. Las ecuaciones de la mecánica cuántica describen cómo el paquete de ondas se divide en dos al chocar contra el obstáculo. La mayor parte se refleja, volviendo hacia A. Pero un pico más pequeño de probabilidad se desliza a través de la barrera y sigue yendo hacia B. Por lo tanto, la partícula tiene la posibilidad de registrarse en un detector allí.
Pero cuando una partícula llega a B, ¿qué se puede decir sobre su viaje o su tiempo en la barrera? Antes de que apareciera de repente, la partícula era una onda de probabilidad de dos partes, tanto reflejada como transmitida. Ambos entraron en la barrera y no lo hicieron. El significado de “tiempo de tunelización” se vuelve confuso.
Y, sin embargo, cualquier partícula que comience en A y termine en B interactúa innegablemente con la barrera intermedia, y esta interacción “es algo en el tiempo”, como dijo Pollak. La pregunta es, ¿qué hora es esa?
Steinberg, quien ha tenido “una aparente obsesión” con la cuestión del tiempo de túnel desde que era un estudiante de posgrado en la década de 1990, explicó que el problema proviene de la naturaleza peculiar del tiempo. Los objetos tienen ciertas características, como masa o ubicación. Pero no tienen un “tiempo” intrínseco que podamos medir directamente. “Puedo preguntarte, ‘¿Cuál es la posición de la pelota de béisbol?’ pero no tiene sentido preguntar, ‘¿Cuál es la época del béisbol?’ ”, dijo Steinberg. “El tiempo no es una propiedad que posea ninguna partícula”. En cambio, rastreamos otros cambios en el mundo, como los tics de los relojes (que en última instancia son cambios de posición), y los llamamos incrementos de tiempo.
Pero en el escenario de los túneles, no hay reloj dentro de la propia partícula. Entonces, ¿qué cambios se deben rastrear? Los físicos han encontrado un sinfín de posibles proxies para el tiempo de tunelización.
Tiempos de tunelización
Hartman (y LeRoy Archibald MacColl antes que él en 1932) adoptaron el enfoque más simple para medir cuánto tiempo lleva la construcción de túneles. Hartman calculó la diferencia en el tiempo de llegada más probable de una partícula que viaja de A a B en el espacio libre frente a una partícula que tiene que cruzar una barrera. Lo hizo considerando cómo la barrera cambia la posición del pico del paquete de ondas transmitidas.
Pero este enfoque tiene un problema, además de su extraña sugerencia de que las barreras aceleran las partículas. No puede simplemente comparar los picos inicial y final del paquete de ondas de una partícula. El cronometraje de la diferencia entre la hora de salida más probable de una partícula (cuando el pico de la curva de campana se encuentra en A) y su hora de llegada más probable (cuando el pico llega a B) no le indica el tiempo de vuelo de ninguna partícula individual, porque un La partícula detectada en B no necesariamente comenzaba en A. Estaba en cualquier lugar y en todas partes de la distribución de probabilidad inicial, incluida su cola frontal, que estaba mucho más cerca de la barrera. Esto le dio la oportunidad de llegar a B rápidamente.
Es parte del problema general de qué es el tiempo, cómo medimos el tiempo en mecánica cuántica y cuál es su significado “.
Eli Pollak
Dado que las trayectorias exactas de las partículas son desconocidas, los investigadores buscaron un enfoque más probabilístico. Consideraron el hecho de que después de que un paquete de ondas golpea una barrera, en cada instante hay alguna probabilidad de que la partícula esté dentro de la barrera (y alguna probabilidad de que no lo esté). Luego, los físicos suman las probabilidades en cada instante para derivar el tiempo promedio de tunelización.
En cuanto a cómo medir las probabilidades, a partir de finales de la década de 1960 se concibieron varios experimentos mentales en los que se podían unir “relojes” a las propias partículas. Si el reloj de cada partícula solo marca mientras está en la barrera, y usted lee los relojes de muchas partículas transmitidas, mostrarán un rango de tiempos diferentes. Pero el promedio da el tiempo de tunelización.
Todo esto fue más fácil decirlo que hacerlo, por supuesto. “Se les ocurrieron ideas locas sobre cómo medir este tiempo y pensaron que nunca sucedería”, dijo Ramón Ramos , autor principal del reciente artículo de Nature . “Ahora la ciencia ha avanzado y nos alegramos de hacer realidad este experimento”.
Relojes integrados
Aunque los físicos han medido los tiempos de los túneles desde la década de 1980, el reciente aumento de las mediciones ultraprecisas comenzó en 2014 en el laboratorio de Ursula Keller en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich. Su equipo midió el tiempo de tunelizaciónusando lo que se llama attoclock. En el attoclock de Keller, los electrones de los átomos de helio se encuentran con una barrera, que gira en su lugar como las manecillas de un reloj. Los electrones hacen un túnel con mayor frecuencia cuando la barrera está en una determinada orientación; llámelo mediodía en el reloj. Luego, cuando los electrones emergen de la barrera, reciben una patada en una dirección que depende de la alineación de la barrera en ese momento. Para medir el tiempo de túnel, el equipo de Keller midió la diferencia angular entre el mediodía, cuando comenzaron la mayoría de los eventos de túnel, y el ángulo de la mayoría de los electrones salientes. Midieron una diferencia de 50 attosegundos, o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo.
Luego, en el trabajo informado en 2019, el grupo de Litvinyuk mejoró el experimento attoclock de Keller al cambiar de helio a átomos de hidrógeno más simples. Midieron un tiempo aún más corto de como máximo dos attosegundos, lo que sugiere que la formación de túneles ocurre casi instantáneamente.
Pero desde entonces, algunos expertos han llegado a la conclusión de que la duración que mide el reloj en hora no es un buen indicador del tiempo de túnel. Manzoni, quien publicó un análisis de la medición el año pasado, dijo que el enfoque es defectuoso de manera similar a la definición de tiempo de túnel de Hartman: se puede decir que los electrones que salen de la barrera casi instantáneamente, en retrospectiva, han tenido una ventaja. .
Mientras tanto, Steinberg, Ramos y sus colegas de Toronto David Spierings e Isabelle Racicot llevaron a cabo un experimento que ha sido más convincente.
Este enfoque alternativo utiliza el hecho de que muchas partículas poseen una propiedad magnética intrínseca llamada espín. El giro es como una flecha que solo se mide apuntando hacia arriba o hacia abajo. Pero antes de una medición, puede apuntar en cualquier dirección. Como descubrió el físico irlandés Joseph Larmor en 1897, el ángulo del giro rota, o “precesa”, cuando la partícula está en un campo magnético. El equipo de Toronto usó esta precesión para actuar como las manecillas de un reloj, llamado reloj Larmor.
Los investigadores utilizaron un rayo láser como barrera y activaron un campo magnético en su interior. Luego prepararon átomos de rubidio con espines alineados en una dirección particular y enviaron los átomos a la deriva hacia la barrera. A continuación, midieron el giro de los átomos que salieron del otro lado. Medir el giro de cualquier átomo individual siempre arroja una respuesta poco esclarecedora de “arriba” o “abajo”. Pero haga la medición una y otra vez, y las mediciones recopiladas revelarán cuánto precesó el ángulo de los giros, en promedio, mientras los átomos estaban dentro de la barrera y, por lo tanto, cuánto tiempo pasaron allí normalmente.
Los investigadores informaron que los átomos de rubidio gastaron, en promedio, 0,61 milisegundos dentro de la barrera, en línea con los tiempos de reloj de Larmor teóricamente predichos en la década de 1980 . Eso es menos tiempo del que habrían tardado los átomos en viajar a través del espacio libre. Por lo tanto, los cálculos indican que si hiciera la barrera realmente gruesa, dijo Steinberg, la aceleración permitiría que los átomos se hicieran túneles de un lado a otro más rápido que la luz.
Un misterio, no una paradoja
En 1907, Albert Einstein se dio cuenta de que su nueva teoría de la relatividad debía hacer imposible la comunicación más rápida que la luz. Imagínese a dos personas, Alice y Bob, separándose a gran velocidad. Debido a la relatividad, sus relojes indican diferentes horas. Una consecuencia es que si Alice envía una señal más rápida que la luz a Bob, quien inmediatamente envía una respuesta superluminal a Alice, la respuesta de Bob podría llegar a Alice antes de que ella envíe su mensaje inicial. “El efecto logrado precederá a la causa”, escribió Einstein .
Los expertos generalmente se sienten seguros de que los túneles no rompen realmente la causalidad, pero no hay consenso sobre las razones precisas por las que no. “No siento que tengamos una forma completamente unificada de pensar sobre esto”, dijo Steinberg. “Hay un misterio allí, no una paradoja”.
Hacer túneles “casi parece más extraño que un enredo”.
Grace Field
Algunas buenas suposiciones están equivocadas. Manzoni, al enterarse del problema de los túneles superlumínicos a principios de la década de 2000, trabajó con un colega para rehacer los cálculos. Pensaron que verían la caída del túnel a velocidades subluminales si tuvieran en cuenta los efectos relativistas (donde el tiempo se ralentiza para las partículas que se mueven rápidamente). “Para nuestra sorpresa, también fue posible tener túneles superlumínicos allí”, dijo Manzoni. “De hecho, el problema fue aún más drástico en la mecánica cuántica relativista”.
Los investigadores enfatizan que la formación de túneles superlumínicos no es un problema siempre que no permita la señalización superluminal. Es similar en este sentido a la “acción espeluznante a distancia” que tanto molestaba a Einstein. La acción espeluznante se refiere a la capacidad de las partículas distantes de “enredarse”, de modo que la medición de una determina instantáneamente las propiedades de ambas. Esta conexión instantánea entre partículas distantes no causa paradojas porque no se puede usar para enviar señales de una a otra.
Sin embargo, teniendo en cuenta la cantidad de apretones de manos por la acción espeluznante a distancia, sorprendentemente se ha hecho poco escándalo por los túneles superlumínicos. “Con la construcción de túneles, no se trata de dos sistemas que están separados, cuyos estados están vinculados de esta manera espeluznante”, dijo Grace Field , quien estudia el tema del tiempo de la construcción de túneles en la Universidad de Cambridge. “Se trata de un único sistema que viaja por el espacio. De esa manera, casi parece más extraño que un enredo “.
En un artículo publicado en el New Journal of Physics en septiembre, Pollak y dos colegas argumentaron que la tunelización superluminal no permite la señalización superluminal por una razón estadística: aunque la tunelización a través de una barrera extremadamente gruesa ocurre muy rápido, la posibilidad de un evento de tunelización pasar a través de tal barrera es extraordinariamente bajo. Un comunicador siempre preferiría enviar la señal a través del espacio libre.
Sin embargo, ¿por qué no pudiste disparar toneladas de partículas en la barrera ultragruesa con la esperanza de que uno lo supere de manera superluminal? ¿No sería suficiente una sola partícula para transmitir su mensaje y romper la física? Steinberg, que está de acuerdo con la visión estadística de la situación, sostiene que una sola partícula tunelizada no puede transmitir información. Una señal requiere detalles y estructura, y cualquier intento de enviar una señal detallada siempre se enviará más rápido a través del aire que a través de una barrera poco confiable.
Pollak dijo que estas preguntas son tema de estudio futuro. “Creo que los experimentos de Steinberg serán un impulso para más teoría. A dónde lleva eso, no lo sé “.
La reflexión ocurrirá junto con más experimentos, incluido el siguiente en la lista de Steinberg. Al localizar el campo magnético dentro de diferentes regiones de la barrera, él y su equipo planean sondear “no solo cuánto tiempo pasa la partícula en la barrera, sino en qué parte de la barrera pasa ese tiempo”, dijo. Los cálculos teóricos predicen que los átomos de rubidio pasan la mayor parte de su tiempo cerca de la entrada y salida de la barrera, pero muy poco tiempo en el medio. “Es algo sorprendente y nada intuitivo”, dijo Ramos.
Al sondear la experiencia promedio de muchas partículas de túnel, los investigadores están pintando una imagen más vívida de lo que sucede “dentro de la montaña” de lo que los pioneros de la mecánica cuántica esperaban hace un siglo. En opinión de Steinberg, los desarrollos llevan a casa el punto de que, a pesar de la extraña reputación de la mecánica cuántica, “cuando ves dónde termina una partícula, te da más información sobre lo que estaba haciendo antes”.
