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Martes, 8 octubre 2013
Física

Explorando la física que conecta el mundo cuántico con el universo clásico

¿Cómo se manifiesta en el mundo cuántico el fenómeno de la temperatura? La temperatura es algo que todos conocemos en nuestra vida cotidiana dentro del universo en su concepción clásica, pero resulta difícil imaginarla en el universo cuántico.

Un experimento en la Universidad Tecnológica de Viena en Austria ha permitido observar directamente la aparición y la propagación de temperatura en un sistema cuántico. Sorprendentemente, las propiedades cuánticas se pierden, aunque el sistema cuántico esté por completo aislado y sin conexión con el mundo exterior.

La conexión entre el mundo microscópico de la física cuántica y el mundo que conocemos por nuestra experiencia cotidiana, la cual está asociada a objetos mucho más grandes, sigue siendo enigmática. Cuando se mide un sistema cuántico, resulta inevitable perturbarlo y que se pierdan algunas de sus propiedades cuánticas.

Se puede preparar, por ejemplo, una nube de átomos de tal modo que cada átomo se encuentre simultáneamente en dos lugares diferentes, formando una superposición cuántica perfecta. Sin embargo, al medir la ubicación de los átomos se destruye esta superposición. Todo lo que queda son átomos ubicados en lugares bien definidos. Se comportan como lo harían objetos clásicos.

En este caso, la medición (un contacto con el mundo exterior) inicia la transición del comportamiento cuántico al comportamiento clásico. ¿Pero qué sucede si un sistema cuántico no recibe influencia alguna del exterior? ¿Pese a ello pueden aparecer propiedades clásicas?

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El principio puesto de manifiesto por el experimento. Al inicio de éste, la nube de átomos está en un estado cuántico de orden casi perfecto, simbolizado por átomos grises. Con el paso del tiempo, se pierde este orden cuántico y se extiende el desorden a través del sistema a una velocidad bien definida, un hecho simbolizado por la mezcla de átomos rojos y grises. Este desorden puede ser asociado a la aparición de una temperatura. Las propiedades cuánticas iniciales se pierden únicamente como resultado de interacciones entre los átomos, sin ninguna influencia del mundo exterior. (Imagen: Universidad Tecnológica de Viena)

El equipo de Tim Langen y Jörg Schmiedmayer está estudiando nubes compuestas de varios miles de átomos. Una nube así es lo bastante pequeña para poder aislarla de forma eficaz del resto del mundo, pero es lo suficientemente grande como para estudiar en ella cómo se pierden las propiedades cuánticas.

En el experimento, las nubes de átomos se dividen en dos mitades. Después de cierto tiempo, éstas se comparan entre sí. De esta manera, los científicos pueden medir el grado de conexión mecánica cuántica entre las nubes. Inicialmente, esta conexión es perfecta; todos los átomos están en un estado cuántico altamente ordenado. Pero como la nube es un gran objeto compuesto por miles de partículas, este orden no dura mucho tiempo.

A medida que los átomos interactúan entre sí, comienza a extenderse el desorden a cierta velocidad. Los átomos ubicados en las regiones ya desordenadas pierden sus propiedades cuánticas. A ellos se les puede asignar una temperatura, tal como se hace con un gas clásico. La velocidad con la que se propaga el desorden depende del número de átomos. Esto define una frontera clara entre las regiones que pueden ser descritas por una temperatura clásica y las regiones donde las propiedades cuánticas permanecen inalteradas.

Después de cierto tiempo, el desorden se extiende por toda la nube. La observación trascendental es que esta pérdida de propiedades cuánticas se debe sólo a efectos cuánticos dentro de la nube de átomos, sin ninguna influencia del mundo exterior. En cierto modo, la nube atómica se comporta como su propio universo en miniatura; está aislada del entorno, así que su comportamiento está determinado únicamente por sus propiedades internas.

Hasta ahora, sólo se había conjeturado sobre dicho comportamiento, pero los experimentos realizados por el equipo de Langen y Schmiedmayer demuestran que la naturaleza realmente se comporta de esta manera.

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