El tiempo existe y no existe en un túnel cuántico

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Un átomo tarda casi un milisegundo en recorrer un túnel de un micrómetro de largo tras superar una barrera gracias a la dualidad onda-partícula. Pero el tiempo existe y no existe en un túnel cuántico.

(Agencia / 3 Sept-20).- En nuestro mundo, si golpeamos una pelota con un pie a la entrada de un túnel, podemos calcular cuándo saldrá por el otro extremo en función de la velocidad de la pelota y de la extensión del túnel. Y si no sale, sabremos que ha tropezado con un obstáculo y que probablemente la pelota regrese a nuestros pies.

Pero si imaginamos que el que golpea la pelota es un jugador cuántico, y que el balón es en realidad un átomo, surgen dos dudas: ¿la salida por el otro extremo del túnel es instantánea o lleva algo de tiempo? ¿Y qué pasaría si el balón tropieza con un obstáculo en medio del túnel?

Estas cuestiones han ocupado a los físicos desde hace un siglo, y no por mera especulación: la fotosíntesis se basa en la construcción de túneles cuánticos, al igual que la fusión nuclear en el sol. Conocer las respuestas correctas tendría aplicaciones prácticas en diferentes campos.

Hasta ahora se pensaba que, al tratarse de un átomo, la salida por el otro extremo del túnel sería instantánea. Incluso se ha comprobado que esa minúscula pelota llega al otro extremo del túnel, aunque hubiese tropezado con algún obstáculo insalvable: gracias a la dualidad onda partícula, lo supera sin problemas. Es casi como atravesar una pared, otra paradoja del mundo cuántico conocida como efecto túnel.

El tiempo pasa…

Una nueva investigación publicada en la revista Nature ha roto el paradigma del túnel cuántico: ha comprobado que los átomos de rubidio, un metal alcalino blando, invierten un tiempo al atravesar su interior, con obstáculo incluido, y que su salida por el otro extremo no es instantánea.

Como también hay evidencia experimental de que los fotones y electrones utilizan este efecto túnel, puede suponerse que estas partículas también invierten un tiempo en atravesarlo.

Lo que aporta esta investigación es que las partículas cuánticas pueden atravesar un túnel de 1,3 micrómetros de largo (un micrómetro es la milésima parte de un milímetro) en aproximadamente 0,6 milisegundos (menos de la milésima parte de un segundo).

También que el tiempo invertido tiene la paradoja propia del mundo cuántico: la partícula tarda más en atravesar el túnel si va deprisa. Lo contrario de un balón en un túnel ordinario, que tarda más en atravesarlo si avanza lentamente.

Este descubrimiento tendrá consecuencias tecnológicas: la mayor parte de la electrónica actual tiene su base en el efecto túnel. También es la base de los cúbits superconductores utilizados en la computación cuántica.

… pero no pasa

A pesar de las implicaciones tecnológicas que pueda tener este descubrimiento, también ha suscitado dudas: un átomo en realidad no sigue una única trayectoria en el seno de un túnel, debido precisamente a la dualidad onda-partícula.

Esa dualidad, más que comprobada, permite a las partículas elementales comportarse como ondas en unas ocasiones, mientras en otras aparecen como partículas. El átomo se comporta como balón cuando tropieza con el obstáculo, y a la vez como onda cuando lo supera e invierte un tiempo para salir del túnel.

El problema radica en que, según el principio de incertidumbre de Heisenberg, no es posible medir la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo. ¿Cómo es posible entonces conocer el tiempo que invierte un átomo en atravesar el túnel cuántico?

Según explican Elena Akhmatskaya, del Basque Center for Applied Mathematics, y Dmitri Sokolovski, de la Universidad del País Vasco, en declaraciones a la revista Chemical &Engineering News, un átomo que atraviesa una barrera toma más de un camino al mismo tiempo.

Por lo tanto, concluyen, el resultado obtenido en esta investigación no es válido para deducir el tiempo que pasa un átomo en el túnel cuántico porque “ese tiempo, simplemente, no existe o no se puede definir.”

Tarda y no tarda a la vez

Para superar esta aparente paradoja, la nueva investigación, liderada por Ramón Ramos y Aephraim M. Steinberg, ambos de la Universidad de Toronto en Canadá, plantea la conveniencia de identificar una escala de tiempo diferente que describa mejor cuánto tiempo pasa una partícula un túnel cuántico.

En cualquier caso, descartar que el efecto túnel sea instantáneo  arroja más complejidad al así llamado tiempo cuántico, que tanto puede estar en una superposición de estados como avanzar simultáneamente en direcciones opuestas a la flecha del tiempo.

La nueva investigación sugiere que el tiempo está y no está en un túnel cuántico y que, por lo tanto, la medición de lo que tarda un átomo en salir del túnel después de superar un obstáculo infranqueable… al mismo tiempo es y no es real, aunque tendrá aplicaciones tecnológicas significativas. Es la normalidad cuántica.

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