¿Se puede dividir la función de onda de un electrón y atrapar sus “trozos”?

Los electrones son partículas elementales, indivisibles,  e “irrompibles”. Pero los últimos resultados obtenidos en una intrigante línea de investigación sugieren que el estado cuántico del electrón, específicamente la función de onda de un electrón, puede ser separado en muchas partes. Ello conlleva algunas extrañas implicaciones para la teoría de la mecánica cuántica.

Unos experimentos dirigidos por Humphrey Maris, profesor de física en la Universidad Brown, de Providence, Rhode Island, Estados Unidos, sugieren que la función de onda de un electrón puede ser rota en pedazos y esos pedazos pueden ser atrapados en pequeñas burbujas de helio líquido. Conviene aclarar que los investigadores no están diciendo que el electrón se pueda fragmentar. Los electrones son partículas elementales, indivisibles e infragmentables. Lo que se puede fragmentar es la función de onda. En cualquier caso, esto último también resulta asombroso, y en algunos aspectos es incluso más exótico que la idea de partir un electrón.

En mecánica cuántica, las partículas no tienen una posición concreta en el espacio. En vez de eso, existen como una función de onda, una distribución de probabilidades que incluye todas las posibles posiciones donde una partícula podría ser encontrada. Maris y sus colegas están sugiriendo que partes de esa distribución pueden ser apartadas y mantenidas separadas unas de otras.

Los científicos se han preguntado durante años por el extraño comportamiento de los electrones en helio líquido enfriado hasta casi el Cero Absoluto. Cuando un electrón entra en el líquido, repele los átomos de helio circundantes, formando una burbuja en él de unos 3,6 nanómetros de diámetro. El tamaño de la burbuja está determinado por la presión del electrón empujando contra la tensión superficial del helio. Lo extraño, sin embargo, surge de experimentos que se remontan hasta la década de 1960, y en los que se observa cómo se mueven las burbujas.

En esos experimentos, un pulso de electrones entra por la parte superior de un tubo lleno de helio, y un detector registra la carga eléctrica entregada cuando las burbujas de los electrones alcanzan el fondo del tubo. Debido a que las burbujas tienen un tamaño bien definido, todas deberían experimentar la misma cantidad de resistencia al avance a medida que se mueven, y deberían por tanto llegar al detector al mismo tiempo. Pero eso no es lo que pasa. Los experimentos han detectado objetos no identificados que alcanzan el detector antes que las burbujas normales de los electrones. Con el paso de los años, los científicos han catalogado 14 objetos distintos de tamaños diferentes, todos los cuales parecen moverse más rápido que lo que cabe esperar en una burbuja de electrón.

Esos objetos han sido un misterio desde que fueron detectados por vez primera. Nadie tiene una buena explicación para ellos.

Se han propuesto varias posibilidades. Los objetos desconocidos podrían ser impurezas en el helio, partículas cargadas desprendidas de las paredes del contenedor. Otra posibilidad es que los objetos sean iones de helio, átomos de helio que han recogido uno o más electrones extra, que producen una carga negativa en el detector.

Pero Maris y sus colegas, incluyendo el físico Leon Cooper de la misma universidad y galardonado con un Premio Nobel, creen que un nuevo conjunto de experimentos realizados recientemente descarta estas explicaciones.

Los investigadores realizaron una serie de experimentos de movilidad de las burbujas de electrones con una sensibilidad mucho mayor que en anteriores ocasiones. Pudieron detectar los 14 objetos de las investigaciones anteriores, más otros cuatro adicionales que aparecieron frecuentemente en el transcurso de los experimentos. Pero además de esos 18 objetos que aparecían frecuentemente, el estudio reveló incontables objetos adicionales que aparecían más raramente.

De hecho, parece que no hay solo 18 tipos de objetos, sino realmente un número infinito de ellos, con una distribución continua de tamaños hasta el de la burbuja normal de electrón.

Eso descarta la hipótesis de que se trate de impurezas o de iones de helio. Sería difícil imaginar que hubiera tantas impurezas, o tantos iones de helio previamente desconocidos.

La única forma que los investigadores ven de explicar los resultados es a través de la “fisión” de la función de onda. En ciertas situaciones, las funciones de onda de los electrones se fragmentan al entrar en el líquido, y pedazos de la función de onda de cada electrón son capturados en burbujas separadas. Dado que las burbujas contienen menos que la función de onda completa, son más pequeñas que las burbujas de electrón normales y por tanto se mueven más rápido.

Maris y sus colaboradores han descrito un mecanismo por el cual podría ocurrir tan singular fisión. Este mecanismo está aceptado por la teoría cuántica, y también encaja bien con los resultados de los experimentos realizados por el equipo.

El estudio se ha presentado públicamente a través de la revista académica Journal of Low Temperature Physics, editada por Springer.

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