¿Puede una partícula estar en dos lugares diferentes al mismo tiempo? En física cuántica, es posible: la teoría cuántica permite que los objetos se encuentren en diferentes estados al mismo tiempo, o más precisamente: en un estado de superposición, combinando diferentes estados observables. Pero, ¿es realmente así? Tal vez la partícula esté en realidad en un estado muy específico, en un lugar muy específico, pero ¿simplemente no lo sabemos?
La cuestión de si el comportamiento de los objetos cuánticos podría describirse mediante una teoría simple y más clásica ha sido debatida 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 a esta desigualdad. La teoría cuántica, por el contrario, viola esto. Por primera vez se han realizado en la Universidad Técnica de Viena mediciones con neutrones que comprueban esta «desigualdad de Leggett-Garg», con un resultado claro: se viola la desigualdad de Leggett-Garg, las explicaciones clásicas son imposibles, gana la teoría cuántica. Los resultados ahora han sido publicados en la revista. Cartas de inspección física.
Realismo físico
Generalmente damos por sentado que cada objeto tiene determinadas propiedades: la pelota está en un lugar determinado, tiene una velocidad determinada y quizás también una rotación determinada. No importa si miramos la pelota o no. Tiene estas propiedades de manera bastante objetiva e independiente de nosotros. «Esta visión se conoce como ‘realismo'», dice Stefan Sponars del Instituto del Átomo de la Universidad Técnica de Viena.
Sabemos por nuestra experiencia cotidiana que, especialmente los objetos macroscópicos grandes, deben obedecer esta regla. También sabemos que los objetos macroscópicos se pueden observar sin verse afectados significativamente. La medición no cambia significativamente el estado. Estos supuestos se denominan colectivamente «realismo macroscópico».
Sin embargo, la teoría cuántica tal como la conocemos hoy es una teoría que viola este realismo macroscópico. Si una partícula cuántica tiene diferentes estados posibles, como diferentes posiciones, velocidades o valores de energía, entonces también es posible cualquier combinación de estos estados. Al menos mientras no se mida esta condición. Durante la medición, el estado de superposición se destruye: la medición hace que la partícula se decida a favor de uno de los valores posibles.
Desigualdad de Leggett-Garga
Sin embargo, el mundo cuántico debe estar relacionado lógicamente con el mundo macroscópico; después de todo, las cosas grandes están formadas por pequeñas partículas cuánticas. En principio, las reglas de la teoría cuántica deberían aplicarse a todo.
Entonces la pregunta es: ¿es posible observar comportamientos en objetos «grandes» que no puedan conciliarse con nuestra noción intuitiva de realismo macroscópico? ¿Pueden las cosas macroscópicas tener también signos claros de propiedades cuánticas?
En 1985, los físicos Anthony James Leggett y Anupam Garg publicaron una fórmula que puede utilizarse para probar el realismo macroscópico: la desigualdad de Leggett-Garg. «La idea detrás de esto es similar a la más famosa desigualdad de Bell, por la que se otorgó el Premio Nobel de Física en 2022», dice Elizabeth Kreuzgruber, primera autora del artículo. «Sin embargo, la desigualdad de Bell está relacionada con la cuestión de qué tan fuertemente se relaciona el comportamiento de una partícula con el de otra partícula cuántica entrelazada. La desigualdad de Leggett-Garg se aplica sólo a un objeto y plantea la pregunta: ¿cómo es su estado en momentos específicos en ¿El tiempo está relacionado con el estado del mismo objeto en otros momentos en momentos específicos?»
Correlaciones más fuertes que las que permite la física clásica
Leggett y Garg supusieron un objeto que se puede medir en tres momentos diferentes, cada medición puede tener dos resultados diferentes. Incluso si no sabemos nada sobre si el estado de este objeto cambia con el tiempo y cómo, aún podemos analizar estadísticamente qué tan fuertemente se correlacionan entre sí los resultados en diferentes momentos en el tiempo.
Matemáticamente, se puede demostrar que la fuerza de estas correlaciones nunca puede exceder un cierto nivel, suponiendo que el realismo macroscópico sea correcto. Leggett y Garg pudieron establecer una desigualdad que toda teoría realista macroscópica debe cumplir siempre independientemente de los detalles de la teoría.
Sin embargo, si el objeto obedece las reglas de la teoría cuántica, entonces debería haber correlaciones estadísticas significativamente más fuertes entre los resultados de las mediciones en tres momentos diferentes. Según Legget y Garg, si el objeto se encuentra realmente en diferentes estados simultáneamente entre los momentos de medición, esto debería conducir a una correlación más fuerte entre las tres mediciones.
Haces de neutrones: objetos cuánticos del tamaño de un centímetro
«Sin embargo, no es tan fácil investigar esta cuestión experimentalmente», afirma Richard Wagner. «Si queremos probar el realismo macroscópico, necesitamos un objeto que sea macroscópico en cierto sentido, es decir, cuyo tamaño sea comparable al tamaño de nuestros objetos cotidianos normales». Sin embargo, al mismo tiempo, debe ser un objeto que todavía tenga el potencial de exhibir propiedades cuánticas.
«Los haces de neutrones, tal como los utilizamos en el interferómetro de neutrones, son perfectamente adecuados para este fin», afirma Hartmut Lemmel, responsable del instrumento S18 en el Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, donde se llevó a cabo el experimento. . En un interferómetro de neutrones, un interferómetro de cristal de silicio perfecto utilizado con éxito por primera vez en el Instituto Atómico de la Universidad Técnica de Viena a principios de los años 1970, un haz de neutrones incidente se divide en dos haces parciales en la primera placa de cristal y luego se recombina con 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 se mueve simultáneamente en ambos caminos», afirma Niels Geeritt. «Sin embargo, los dos haces parciales están separados por varios centímetros. En cierto sentido, estamos ante un objeto cuántico que es enorme según los estándares cuánticos».
Utilizando una combinación compleja de múltiples mediciones de neutrones, el equipo de TU Wien pudo verificar la desigualdad de Leggett-Garga, y el resultado fue claro: se violó la desigualdad. Los neutrones se comportan de maneras que no pueden explicarse mediante ninguna teoría macroscópicamente realista concebible. En realidad están recorriendo dos caminos al mismo tiempo, están en diferentes lugares al mismo tiempo, separados por centímetros. Esto refuta la idea de que «tal vez el neutrón sólo viaja en uno de dos caminos, simplemente no sabemos cuál».
«Nuestro experimento demuestra que la naturaleza es realmente tan extraña como afirma la teoría cuántica», afirma Steven Sponar. «No importa qué teoría clásica, macroscópicamente realista, se te ocurra: nunca podrá explicar la realidad. No funciona sin la física cuántica».
