¿Qué es la superposición cuántica?

La cuántica es una rama de la física que analiza el comportamiento de partículas muy pequeñas. Estas partículas (electrones, fotones, quarks, neutrinos, muones y otras con nombres igual de raros) se rigen por el principio de incertidumbre. Son partículas muy chiquititas, tanto que no se puede conocer con exactitud su posición y movimiento. No solamente no se pueden conocer con exactitud, sino que los experimentos  demuestran que esas partículas no existen con un movimiento o posición exactos. Y es que las partículas subatómicas tienen una propiedad aparentemente mágica: pueden estar en dos sitios a la vez, gracias a su doble naturaleza de onda-partícula. Este es el fenómeno conocido como  superposición cuántica.

Un día, un tipo llamado Erwin Schrödinger, diseñó un experimento imaginario bastante revelador acerca de algunas de las implicaciones de ese movimiento incierto de las partículas subatómicas, intentando extrapolarlo a nuestro mundo macroscópico.

Schrödinger imaginó una caja cerrada, en la que mete un gato vivo, un material radiactivo con un 50% de probabilidades de desintegrarse y un aparato que, si el material radiactivo se desintegra, libera un gas venenoso que mata al gato instantáneamente, pero si el material radiactivo no se desintegra, el gato vive. Schrödinger llegó a la increíble conclusión de que mientras la caja estuviese cerrada, el gato no estaría ni vivo ni muerto. El gato estaría en un estado de dos realidades superpuestas, una en la que vive, otra en la que muere.

El principio de superposición lo que dice es que si el mundo puede estar en un estado “A” y también en un estado “B” entonces también podrá estar en un estado que sea la combinación de ambos (estado mixto.) Sin embargo, al efectuar una medición de este estado sólo se podrá obtener “A” o “B”. Esto quiere decir que hasta el momento en el que se mide, el mundo estaba en los dos estados simultáneamente, pero luego de realizar una observación, el estado colapsa a uno de los dos posibles: el “A” o el “B”.

En el experimento de Schrödinger, puesto que el átomo radiactivo puede haberse desintegrado o no, el gato puede estar tanto vivo (“V”) como muerto (“M”) y como ambos estados son posibles, también puede estar en una combinación que sea vivo y muerto, “V” + “M”. Ambas realidades coexistirán hasta que un observador abra la caja y vea el estado en el que se encontraba el gato haciendo colapsar el sistema a una sola posibilidad: o vivo o muerto.

Aunque parezca descabellado en un primer momento, experiencias en las que se tienen diferentes estados superpuestos son llevadas a cabo diariamente en laboratorios de todo el mundo. Es una concepción de la realidad que se aleja sobremanera de lo que se pensaba hasta el siglo XX (y de lo que aún hoy se piensa cotidianamente) y presupone grandes desafíos no sólo para los físicos, sino también para los filósofos de la ciencia, ya que se está planteando que la realidad es en función de que se la observe. Si nadie hubiera abierto la caja, el gato continuaría estando vivo y muerto; es la intervención del observador la que le obliga a decantarse por uno de esos estados.

Como sugiere el físico Wojciech Zurek: "Más allá de las partículas, de los campos de fuerza, de la geometría, del espacio y del tiempo, está el último elemento constitutivo de todo ello, el acto todavía más sutil del observador que participa".

La duda surge a la hora de explicar el proceso que convierte los estados probabilísticos del mundo subatómico en un estado concreto que percibimos con nuestros sentidos. Porque es evidente que en el universo macrofísico los objetos se nos presentan en un estado concreto y no superpuesto. Pues bien, este proceso se explica por la decoherencia cuántica, según la cual es la interacción de los sistemas macroscópicos con su entorno lo que diluye la superposición de estados cuánticos. Es decir, si un pequeño sistema como es un átomo, puede ser aislado de su entorno para ser estudiado, en el mundo macroscópico ese aislamiento no es posible porque un gato (por seguir el ejemplo de Schrödinger) está demasiado adherido a su universo a través de unos intensos mecanismos de fricción, lo que impide observarlo sin su entorno inmediato. Estas interacciones del gato con su universo inmediato son las que anulan los estados de superposición de los espacios cuánticos.

Quizá lo veas más claro con este vídeo de "Redes":

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El boson de Higgs: la partícula más buscada

A mediados de los 60, los físicos comprendieron que sus ideas previas, en las que toda la materia estaba compuesta de protones, neutrones y electrones, como partículas fundamentales, eran insuficientes para explicar las nuevas partículas que se estaban descubriendo. 
Para solucionar estos problemas, surgió la teoría hoy conocida como el Modelo Estándar de la Física de Partículas, que establece qué partículas y fuerzas existen en la naturaleza y cuáles son sus propiedades. 
Durante las últimas décadas esta teoría ha crecido gradualmente y ha ganado aceptación, a partir de las nuevas evidencias proporcionadas por los aceleradores de partículas.  Sin embargo, todavía existe una partícula fundamental que hasta el momento no ha podido ser detectada. Se trata del bosón de Higgs, también conocido como la "partícula de Dios", que sería la clave para poder explicar cómo adquieren masa el resto de partículas y de qué manera se reparte esta masa por el universo.

Se cree que el bosón de Higgs es masivo a diferencia de la mayoría de las partículas subatómicas. Podría tener de 100 a 200 veces la masa del protón. Por eso se necesita un colisionador tan inmenso para producir un boson de Higgs: cuanto más energía haya en la colisión, más masivas serán las partículas resultantes.  Pero una partícula gigante como el boson de Higgs también sería, como todas las partículas de gran tamaño, inestable. No es el tipo de partícula que se queda por ahí para que podamos detectarla; en una fracción de una fracción de una fracción de segundo decaería formando otras partículas. 

Lo que se pretende hacer con el LHC, el acelerador de partículas más grande y energético del mundo, es crear un pequeño estallido de energía, compacto, del cual un boson de Higgs podría surgir para existir durante el tiempo necesario y con la vivacidad suficiente para poder reconocerlo. La cuestión es: ¿existirá un bosón de Higgs con una masa alcanzable para los ojos del LHC?. Sólo la naturaleza tiene la respuesta.

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Apasionante descripción de la estructura de la materia

Más de una vez se nos ha pasado por la cabeza la pregunta ¿de qué estamos hechos? Puede parecer una pregunta un tanto absurda, la mayoría de las personas recordarán conceptos como moléculas, átomos, protones y electrones, y se darán por satisfechas. Sin embargo, luego de esto viene otra inevitable pregunta: ¿y qué hay más allá?

Ahora, ya puedes adentrarte en la asombrosa estructura y comportamiento de la materia com la Aventura de las Partículas, un proyecto educacional del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley  que consiste en un recorrido interactivo muy sencillo y claro sobre la historia del átomo, tanto desde el punto de vista de las teorías como de los experimentos.

La Aventura de las Partículas está dividida en tres "rutas" de información. La ruta del Modelo Estándar, una lección interactiva que nos presenta las partículas conocidas, y la forma en que interactúan entre sí. La ruta de las evidencias experimentales que enseña cómo los físicos han obtenido los datos experimentales que sustentan el Modelo Standard. Y, por último, la ruta más allá del Modelo Estándar que muestra cuánto no se ha descubierto aún. 

Estos documentos están formados por pequeñas páginas que, además de informativas y claras, resultan amenas. Contienen preguntas, dibujos, comentarios, enlaces a otros documentos, etc. En fin, un sitio que no debemos de dejar de visitar si nos interesa conocer cómo está constituida la materia.

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Visita virtual al laboratorio de un científico

El Museo de la Ciencia y de la Técnica de Cataluña (mNACTEC) nos ofrece una  exposición virtual y permanente llamada Laboratorio de Física Experimental Mentora Alsina. Se trata de una muestra inédita con 130 aparatos e instrumentos de física procedentes del laboratorio de fisica experimental fundado a principios del siglo XX  por Fernando Alsina en Barcelona.

Fernando Alsina era un técnico industrial, nacido en 1861, que durante toda su vida mostró un gran interés por los nuevos avances científicos, lo que le llevó a recopilar diferente material científico y técnico para utilizarlo con finalidades didácticas. Su colección puede considerarse como el primer precedente en España de la creación de un museo científico y tecnológico.

Las áreas disciplinarias en que están clasificados los objetos de la muestra son: mecánica, presión, hidrostática, acústica, óptica y electricidad. Además, cada objeto va acompañado por una ficha con sus funciones, cronología, materiales, procedencia, etc., incluso con animaciones para comprenderlo mejor. El objetivo principal es acercar al gran público el conocimiento de la física y transmitir el espíritu inicial, adaptándolo a las nuevas tecnologías.

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