Científicos demuestran que los fotones atraviesan sección de un aparato sin entrar ni salir de éste

Una nueva versión del famoso experimento de la doble rendija le permitió a físicos en Israel medir un fenómeno que es extraño incluso para los estándares de la mecánica cuántica, contrarios a la intuición. Colocando un experimento de doble rendija a lo largo de la ruta de acceso de un experimento de doble rendija mayor, los investigadores han demostrado que los fotones atraviesan una sección del aparato sin entrar ni salir de éste. El efecto, argumenta el equipo, se entiende mejor invocando una interpretación de poco uso de la mecánica cuántica que fue propuesta por primera vez en 1955

Tal vez la manifestación más simple y más clara de la dualidad onda-partícula es el famoso experimento de la doble rendija. Las partículas como los fotones o electrones que se emiten discretamente se comportan como ondas cuando pasan a través de dos rendijas, y acumulan un patrón de interferencia cuando se detectan de forma individual en una pantalla.

En esta última versión del experimento, Lev Vaidman y sus colegas de la Universidad de Tel-Aviv utilizan interferómetros Mach-Zehnder como rendijas dobles y fotones como partículas. El interferómetro óptico utiliza un divisor de haz para dividir el haz de fotones en dos trayectorias separadas que se recombinan y se envían a un detector. Una diferencia en la longitud de los dos caminos dicta cómo interfieren los haces cuando son recombinados, lo que afecta la intensidad que mide el detector.

Tres caminos posibles

En el experimento de Tel Aviv, se coloca un interferómetro de Mach-Zehnder interno en el camino del interferómetro exterior, de manera que el haz recombinado continúa su viaje a través del dispositivo externo y hacia un detector (ver la figura). Esto significa que un fotón tiene tres caminos posibles desde la fuente hasta el detector. El objetivo del experimento es descubrir qué caminos toman por lo menos algunos fotones que llegan al detector. Esto se llama una medición débil, y es consistente con las leyes de la mecánica cuántica, ya que no se trata de medir el camino de algún fotón específico.


En el formalismo de vectores de dos estados, la probabilidad de encontrar un fotón se define por una onda que evoluciona hacia adelante desde la fuente (en rojo) y una onda en evolución hacia atrás desde el detector (verde). Sólo se puede encontrar un fotón si ambos son distintos de cero. (Cortesía: Lev Vaidman)

Para realizar sus mediciones, los investigadores ponen una ligera vibración en todos los espejos del interferómetro, cada uno a una frecuencia diferente. Cuando un espejo vibra, se altera la longitud del camino de una luz que se refleje desde el espejo. Esto altera la diferencia de fase cuando se recombina el haz, cambindo la intensidad en el detector. Como cada espejo está vibrando a una frecuencia única, las oscilaciones en la intensidad que se detectan a una frecuencia particular indican que los fotones han tocado un espejo específico.

Los investigadores dispusieron los dos caminos ópticos a través del interferómetro de interior de modo que los dos caminos interferían destructivamente al recombinarse. Por lo tanto, no podría salir luz del interferómetro interior. Cabría esperar, por lo tanto, que la única oscilación en la intensidad detectada debería venir del espejo que evita el interferómetro interior; pero esto no fue lo que encontraron los investigadores.

Extraña conclusión

La intensidad detectada, de hecho sí oscila a la frecuencia de este espejo de derivación, pero también oscila en las frecuencias de los espejos del interferómetro interior. Sin embargo, no oscilan en las frecuencias de los espejos direccionadores de luz dentro o fuera de este interferómetro interior. Esto lleva a la extraña conclusión de que algunos fotones recibidos por el detector han pasado por el inteferometer interior, pero nunca han entrado en él y nunca lo dejaron.

Los investigadores creen que esto valida una interpretación convencional de la teoría cuántica llamado formalismo vectorial de dos estados. Fue propuesta por primera vez en 1964 por Yakir Aharonov, Peter Bergmann y Joel Lebowitz. Aquí, la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar en particular es el producto de dos vectores: uno que evoluciona hacia delante en el tiempo desde la fuente y uno que evoluciona hacia atrás en el tiempo desde el detector.

Un fotón puede tocar un espejo si y sólo si ambas ondas no son cero en ese punto. El interferómetro interior hace que cualquier onda que lo deja sea igual a cero. La onda que evoluciona hacia adelante es cero en la salida, de modo que no hay fotones que se puedan encontrar aquí. La onda en evolución hacia atrás viaja hacia atrás en el interferómetro y por lo tanto es cero en el camino, así que no hay fotones se puedan encontrar aquí tampoco. Dentro del interferómetro interior, sin embargo, ambas ondas en evolución hacia adelante y hacia atrás no son cero, por lo que los fotones pasan a través de los dos brazos (ver figura).

Intuiciones y explicaciones

Vaidman subraya que este formalismo del vector de dos estados en realidad no hace predicciones diferentes del planteo de la mecánica de ondas convencional ideada por Erwin Schrödinger en 1920. Sin embargo, los resultados de este experimento parecen altamente contrarios a la intuición y son difíciles de racionalizar usando el método tradicional. «Se pueden definir constantes y usted puede tener intuiciones sobre lo que está pasando con el formalismo vectorial de dos estados», dice Vaidman: «Pero no es algo que la mecánica cuántica estándar no pueda explicar en definitiva.»

Onur Hosten, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, quien no participó en el experimento, dice que si se tiene en cuenta el experimento utilizando el formalismo de vectores de dos estados o utilizando el enfoque de onda mecánica convencional, el efecto se genera por el hecho de que la realización de una medición débil inevitablemente perturba el sistema. Los propios espejos oscilantes cambian los caminos ópticos, destruyendo de ese modo la interferencia destructiva perfecta entre los dos caminos del interferómetro interior y permiten que la función de onda se escape.

La probabilidad de que un fotón escape es efectivamente cero, sin embargo, debido a que la probabilidad es proporcional al cuadrado de la función de onda, que tiende a cero mucho más rápido que la propia función de onda. «Desde mi perspectiva, es muy interesante entender por qué usted consigue los resultados que usted logra», dice Hosten, agregando «pero también es interesante que una medición débil le dará algunas respuestas desconcertantes».

Los resultados se publicarán en la revista Physical Review Letters. Un pre-impresión está disponible en arXiv .

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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