Antes de que se observe, un electrón es una gran posibilidad. Al igual que el gato metafórico de Schrödinger, es solo una vez que levantamos la tapa de su caja metafórica y observamos de cerca que un electrón se asienta en una posición clara alrededor de un átomo.
Ahora hemos visto más de cerca cómo sucede exactamente esta solución. Al tomar una serie de instantáneas de un ion de estroncio en un campo eléctrico, un equipo de físicos de Suecia, Alemania y España descubrió que la transición de un electrón de 'quizás' a 'realidad' no es del todo o nada.
Durante la mayor parte de un siglo, ha sido bastante claro que el Universo que experimentamos en nuestra vida cotidiana no es exactamente como el que vemos cuando tratamos de mirarlo de cerca.
Una consecuencia extraordinaria de la extrañeza en el corazón de la física es que los objetos solo pueden describirse utilizando conjuntos de probabilidades llamadas superposiciones, hasta que las pinchemos con sondas y las bombardeemos con luz para determinar con certeza su tamaño y naturaleza.
En nuestro mundo clásico de absolutos, esto es difícil de imaginar. Incluso el famoso físico Erwin Schrödinger se burló de la idea cuando la escuchó por primera vez, presentando un experimento mental involucrando a un gato imaginado que estaba vivo y muerto a la vez hasta que miramos.
Solo al abrir la caja y observar, la vida potencial del gato puede ser sostenida o extinguida, al menos a los ojos del observador.
Schrödinger lo encontró tonto, como lo hizo Einstein, pero desde entonces es tiempo mostrado y una vez más que este gato metafórico es de hecho una descripción precisa de cómo funciona la física.
Una pregunta que queda es si existe una medida cuántica ideal, una que pueda medir aspectos de un sistema sin hacer que toda su superposición colapse en una respuesta final.
En la década de 1940, el matemático húngaro-estadounidense John von Neumann Supuse que medir una parte de un sistema cuántico, como la posición de un electrón en una órbita, crearía suficiente ruido cuántico para abandonar su naturaleza probabilística.
Años más tarde, un físico teórico alemán llamado Gerhart Lüders impugnó los supuestos de von Neumann, señalando que algunas cualidades indecisas de las posibilidades de una partícula podrían mantenerse, incluso mientras que otras se aclaran.
Si bien los físicos han estado de acuerdo con Lüders en teoría, no es lo más fácil de demostrar experimentalmente, confiando en medir ciertas acciones que ocurren naturalmente de una manera que no interfieran entre sí.
Los investigadores se asentaron en un átomo de estroncio con electrones faltantes, atrapando el ion de una manera que no deja claro en cuál de las dos órbitas se encuentran los electrones restantes, dejándolos en una mancha de ambos.
Es más o menos la misma configuración utilizada en muchos computadoras cuánticas. Luego, un láser fuerza la superposición de electrones en el ion para que se mueva, y el cambio potencial en la órbita se confirma al detectar la luz que se emite cuando el electrón vuelve a su lugar.
Solo al detectar la luz podemos considerar la posición absoluta del electrón como bloqueada en su lugar.
"Cada vez que medimos la órbita del electrón, la respuesta de la medición será que el electrón estaba en una órbita más baja o más alta, nunca algo intermedio". dice El físico de la Universidad de Estocolmo Fabian Pokorny.
"La medición en cierto sentido obliga al electrón a decidir en cuál de los dos estados se encuentra".
La captura de numerosos fotones a medida que el ion de estroncio gira en diferentes estados con un láser separado proporcionó al equipo una imagen de la evolución del proceso a medida que tuvo lugar en un lapso de una millonésima de segundo.
Descubrieron que la transición del sistema cuántico de quizás a realmente no es un asunto absoluto. Se pueden medir aspectos del mismo, como el lugar de reposo final del electrón, dejando algunas características de su superposición intactas e indecisas. Justo como Lüders había discutido.
"Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre el funcionamiento interno de la naturaleza y son consistentes con las predicciones de la física cuántica moderna", dice investigador principal Markus Hennrich, también físico de la Universidad de Estocolmo.
Además, este cambio no es instantáneo. Al tomar instantáneas del átomo cuando uno de sus electrones adopta una órbita clara, el equipo demostró que el cambio se está desarrollando, como si la transición de la incertidumbre completa a una órbita específica sea una cuestión de mayor probabilidad, en lugar de una decisión repentina.
Este no es el primer experimento que muestra cómo los saltos cuánticos en la posibilidad de un electrón es un proceso que se desarrolla como "la erupción de un volcán", en lugar de un interruptor. Pero agrega algunos detalles interesantes a la forma en que ocurre este cambio que permite mediciones tan ideales.
Lamentablemente, nada de esto nos dice qué significa una transición de posibilidades cuánticas a una medición clara en el gran esquema de las cosas, y mucho menos cómo pensar en el pobre gato de Schrödinger mientras espera pacientemente en la oscuridad.
Todo lo que sabemos es que levantar la tapa del pobre animal no le quita completamente su misterio. Incluso si corre el riesgo de una muerte más lenta de lo que von Neumann podría haber imaginado.
Esta investigación fue publicada en Cartas de revisión física.