Neutrones en trayectorias clásicamente inexplicables

¿Puede una partícula estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo? En la física cuántica, sí puede: la teoría cuántica permite que los objetos estén en diferentes estados al mismo tiempo, o más precisamente, en un estado de superposición, combinando diferentes estados observables. Pero, ¿es esto realmente el caso? ¿Quizás la partícula está realmente en un estado muy específico, en una ubicación muy específica, pero simplemente no lo sabemos?

La cuestión de si el comportamiento de los objetos cuánticos podría describirse quizás mediante una teoría simple y más clásica se ha debatido durante décadas. En 1985, se propuso una forma de medir esto: la llamada “desigualdad de Leggett-Garg”. Cualquier teoría que describa nuestro mundo sin los extraños estados de superposición de la teoría cuántica debe obedecer esta desigualdad. La teoría cuántica, por otro lado, la viola. Las mediciones con neutrones que ponen a prueba esta “desigualdad de Leggett-Garg” se han realizado ahora por primera vez en la TU Viena, con un resultado claro: la desigualdad de Leggett-Garg se viola, las explicaciones clásicas no son posibles, la teoría cuántica gana. Los resultados se han publicado ahora en la revista Physical Review Letters.

Realismo físico

Normalmente asumimos que todo objeto tiene ciertas propiedades: una pelota está en una determinada ubicación, tiene una determinada velocidad, quizás también una determinada rotación. No importa si observamos la pelota o no. Tiene estas propiedades de forma objetiva e independiente de nosotros. “Esta visión se conoce como ‘realismo'”, dice Stephan Sponar del Instituto Atómico de la TU Wien.

Sabemos por nuestra experiencia cotidiana que los objetos grandes y macroscópicos, en particular, deben obedecer esta regla. También sabemos que los objetos macroscópicos pueden observarse sin ser influenciados significativamente. La medición no cambia fundamentalmente el estado. Estas suposiciones se denominan colectivamente “realismo macroscópico”.

Sin embargo, la teoría cuántica tal y como la conocemos hoy es una teoría que viola este realismo macroscópico. Si son posibles diferentes estados para una partícula cuántica, por ejemplo, diferentes posiciones, velocidades o valores de energía, entonces también es posible cualquier combinación de estos estados. Al menos mientras este estado no se mida. Durante una medición, el estado de superposición se destruye: la medición obliga a la partícula a decidirse por uno de los valores posibles.

La desigualdad de Leggett-Garg

Sin embargo, el mundo cuántico debe estar conectado lógicamente con el mundo macroscópico; después de todo, las cosas grandes están compuestas por pequeñas partículas cuánticas. En principio, las reglas de la teoría cuántica deberían aplicarse a todo.

Entonces, la pregunta es: ¿Es posible observar un comportamiento en objetos “grandes” que no se puede reconciliar con nuestra imagen intuitiva del realismo macroscópico? ¿Pueden las cosas macroscópicas también mostrar señales claras de propiedades cuánticas?

En 1985, los físicos Anthony James Leggett y Anupam Garg publicaron una fórmula con la que se puede probar el realismo macroscópico: La desigualdad de Leggett-Garg. “La idea detrás de ella es similar a la, más famosa, desigualdad de Bell, por la que se otorgó el Premio Nobel de Física en 2022”, dice Elisabeth Kreuzgruber, primera autora del artículo. “Sin embargo, la desigualdad de Bell trata sobre la cuestión de cuán fuertemente está relacionado el comportamiento de una partícula con otra partícula cuántica entrelazada. La desigualdad de Leggett-Garg solo trata sobre un solo objeto y pregunta: ¿cómo está relacionado su estado en puntos específicos del tiempo con el estado del mismo objeto en otros puntos específicos del tiempo?”.

Correlaciones más fuertes de lo que permite la física clásica

Leggett y Garg asumieron un objeto que puede medirse en tres momentos diferentes, cada medición puede tener dos resultados diferentes. Incluso si no sabemos nada en absoluto sobre si el estado de este objeto cambia con el tiempo o cómo lo hace, todavía podemos analizar estadísticamente cuán fuertemente se correlacionan los resultados en diferentes puntos del tiempo entre sí.

Se puede demostrar matemáticamente que la fuerza de estas correlaciones nunca puede exceder un cierto nivel, asumiendo que el realismo macroscópico es correcto. Leggett y Garg pudieron establecer una desigualdad que siempre debe cumplirse por cada teoría realista macroscópica, independientemente de los detalles de la teoría.

Sin embargo, si el objeto se adhiere a las reglas de la teoría cuántica, entonces debe haber correlaciones estadísticas significativamente más fuertes entre los resultados de la medición en los tres puntos del tiempo diferentes. Si un objeto está realmente en diferentes estados al mismo tiempo entre los tiempos de medición, esto debe, según Leggett y Garg, llevar a correlaciones más fuertes entre las tres mediciones.

Haces de neutrones: objetos cuánticos de tamaño centímetro

“Sin embargo, no es tan fácil investigar esta cuestión experimentalmente”, dice Richard Wagner. “Si queremos probar el realismo macroscópico, entonces necesitamos un objeto que sea macroscópico en cierto sentido, es decir, que tenga un tamaño comparable al tamaño de nuestros objetos cotidianos habituales”. Al mismo tiempo, sin embargo, debe ser un objeto que tenga la posibilidad de seguir mostrando propiedades cuánticas.

“Los haces de neutrones, como los utilizamos en un interferómetro de neutrones, son perfectos para esto”, dice Hartmut Lemmel, responsable del instrumento en el instrumento S18 del Institut Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, donde se llevó a cabo el experimento. En el interferómetro de neutrones, un interferómetro de cristal perfecto de silicio que se utilizó con éxito por primera vez en el Instituto Atómico de la TU Viena a principios de la década de 1970, el haz de neutrones incidente se divide en dos haces parciales en la primera placa de cristal y luego se recombina mediante otra pieza de silicio. Por lo tanto, hay dos formas diferentes en que los neutrones pueden viajar desde la fuente hasta el detector.

“La teoría cuántica dice que cada neutrón individual viaja por ambas rutas al mismo tiempo”, dice Niels Geerits. “Sin embargo, los dos haces parciales están separados por varios centímetros. En cierto sentido, estamos tratando con un objeto cuántico que es enorme para los estándares cuánticos”.

Utilizando una sofisticada combinación de varias mediciones de neutrones, el equipo de la TU Viena pudo probar la desigualdad de Leggett-Garg, y el resultado fue claro: la desigualdad se viola. Los neutrones se comportan de una manera que no se puede explicar mediante ninguna teoría realista macroscópica concebible. De hecho, viajan por dos caminos al mismo tiempo, están ubicados simultáneamente en diferentes lugares, separados por centímetros. La idea de que “quizás el neutrón solo viaja por uno de los dos caminos, simplemente no sabemos cuál” ha sido refutada.

“Nuestro experimento muestra: La naturaleza realmente es tan extraña como afirma la teoría cuántica”, dice Stephan Sponar. “No importa qué teoría clásica y realista macroscópicamente se te ocurra: Nunca podrá explicar la realidad. No funciona sin la física cuántica”.