Según Polchinski, nadie evitará que el astronauta acabe frito

Dibujo20130405 Andy Potts - Nature - Will astronaut into black hole be crushed or burned

En marzo de 2012, Joseph Polchinski (famoso teórico de cuerdas del KITP, Kavli Institute for Theoretical Physics, Santa Barbara, California) se preguntó que pasaría cuando un astronauta se sumergiera dentro de un agujero negro. Obviamente, moriría, ¿pero cómo? El principio de equivalencia de la relatividad general de Einstein implica que no notaría nada al atravesar el horizonte de sucesos y que su muerte sería debida a su estiramiento en forma de espagueti (en un agujero negro supermasivo podría pasar varios días dentro del horizonte de sucesos antes de notar nada en absoluto). Pero Polchinski publicó en julio de 2012, junto a dos estudiantes Ahmed Almheiri y James Sully, y su colega Donald Marolf (UCSB, Universidad de California, Santa Barbara) que, bajo ciertas circunstancias, el astronauta acabaría frito en el horizonte de sucesos, que se comportaría como un “muro de fuego” (firewall). Nos lo cuenta Zeeya Merali, “Fire in the hole! Will an astronaut who falls into a black hole be crushed or burned to a crisp?,” Nature 496: 20-23, 4 Apr 2013.

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Nota dominical: Einstein y Ehrenfest discutieron el colapso de la función de onda en 1922

Dibujo20130318 stern gerlach experiment - postcard communicated to niels bohr

Puede parecer increíble, pero el problema del colapso de la función de onda cuántica fue discutido por Albert Einstein y Paul Ehrenfest en un artículo conjunto que se envió en 1922, poco después de la publicación del famoso experimento de Stern y Gerlach. Durante una visita de Einstein a Ehrenfest en Leiden (Países Bajos), entre el 29 de abril y el 13 de mayo de 1922, discutieron el famoso experimento de Stern-Gerlach (enviado a publicación el 1 marzo) y escribieron un artículo conjunto que enviaron a publicación el 21 de agosto. El artículo de Einstein-Ehrenfest discute el problema de la medida en mecánica cuántica y la importancia del colapso de la función de onda si lo leemos desde un punto de vista moderno( ya que el concepto de función de onda aún no había sido introducido por Erwin Schrödinger). “¿Cómo saben los átomos que dirección tomar en el experimento?” Si el proceso fuera clásico, Einstein y Ehrenfest calculan que la desviación de los átomos requeriría miles de millones de segundos, cuando según el experimento el proceso tarda menos de 100 microsegundos. Por ello, afirman que el experimento muestra una transición brusca entre estados cuánticos (hoy diríamos que muestra el colapso de la función de onda) y que se trata de un experimento ideal para ilustrar las diferencias entre la medida en física clásica y en física cuántica. Realmente sorprendente, sobre todo, porque el problema de la medida en mecánica cuántica no se empezó a discutir hasta un lustro más tarde. Nos lo cuenta Issachar Unna, Tilman Sauer, “Einstein, Ehrenfest, and the quantum measurement problem,” Ann. Phys. 525: A15–A19 (2013). El artículo técnico original es A. Einstein, P. Ehrenfest, “Quantum Theoretical Comments on the Experiment of Stern and Gerlach,” Zeitschrift fur Physik 11: 31-34, 1922.

Atención, pregunta: La realidad de la función de onda cuántica, ¿es un problema para filósofos o para físicos?

Las recientes medidas débiles de la función de onda cuántica han puesto de actualidad la cuestión de si la función de onda es real o no lo es. Muchos físicos opinan que esta cuestión debe ser resuelta por los filósofos especialistas en metafísica, ya que la respuesta no afecta de forma directa a la labor de interpretar los resultados de los experimentos utilizando la mecánica cuántica. En mi opinión, decidir si un fotón es real puede que sea una cuestión propia de la filosofía natural, pero decidir si la función de onda cuántica es tan real como un fotón solo puede ser resuelta por los físicos gracias a los experimentos. Ningún filósofo (y ningún físico) utilizando lápiz y papel puede resolver esta cuestión. Los filósofos pueden estudiar si un electrón es real, o no, en función del significado de la palabra “real,” pero saber si la función de onda cuántica es tan real como un electrón creo que debe ser resuelto por los físicos. Más aún, si la función de onda es real su colapso tiene que ser dinámico y los detalles íntimos de la física del colapso de la función de onda deben ser dilucidados por los físicos mediante experimentos. La figura que abre esta entrada está extraída de Heiko Bauke, Noya Ruth Itzhak, “Visualizing quantum mechanics in phase space,” arXiv:1101.2683, 11 Jan 2011.

Te recomiendo leer Angel Luis Rubio Moraga, “¿Es real la función de onda?,” RSEF, 07 Mayo 2012; que se hace eco de Matthew F. Pusey, Jonathan Barrett, Terry Rudolph, “On the reality of the quantum state,” Nature Physics 8: 476 (2012) [arXiv:1111.3328]; también recomiendo leer a Daniel Nigg, Thomas Monz, Philipp Schindler, Esteban A. Martinez, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt, Matthew F. Pusey, Terry Rudolph, Jonathan Barrett, “Can different quantum state vectors correspond to the same physical state? An experimental test,” arXiv:1211.0942, 5 Nov 2012, y Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt, “Undoing a quantum measurement,” arXiv:1211.1791, 8 Nov 2012.

Photo and caption by Don Chamblee [streetcar in New Orleans, Louisiana, USA].

Me gustaría conocer tu opinión sobre este asunto. ¿Crees que la realidad de la función de onda es un problema filosófico o físico? ¿Crees que es un problema que puede ser resuelto mediante experimentos mentales y herramientas de física teórica, sin recurrir a resultados experimentales?

Logran un haz de Airy de electrones (solución no dispersiva de la ecuación de Schrödinger)

Dibujo20130220 Holographic generation of an electron Airy beam

La solución de Airy de la ecuación de Schrödinger de la mecánica cuántica corresponde a un paquete de ondas no dispersivo que se propaga a lo largo de una curva parabólica en ausencia de fuerzas externas. Su existencia fue demostrada con fotones hace 30 años. Un nuevo artículo en Nature la demuestra con electrones utilizando técnicas holográficas (en la nanoescala) similares a las usadas en el caso óptico. Los haces de Airy de electrones permitirán realizar con electrones cosas que hasta ahora sólo eran posibles con fotones (interferómetros de electrones, vórtices de electrones, etc.). El artículo técnico es Noa Voloch-Bloch, Yossi Lereah, Yigal Lilach, Avraham Gover, Ady Arie, “Generation of electron Airy beams,” Nature 494: 331-335, 21 Feb 2013 [arXiv:1205.2112].

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El caos cuántico en condensados de Bose-Einstein con acoplamiento espín-órbita

Dibujo20130128 Real-space -left- momentum density -right- distributions for a spin-orbit-coupled gas of bosons in a chaotic regime

En general, un sistema físico clásico es no lineal, disipativo y caótico; por el contrario, uno cuántico es lineal, conservativo y estocástico. Todo sistema clásico es cuántico (se puede “cuantizar”), pero hay sistemas cuánticos sin análogo clásico. El caos cuántico describe lo que le sucede a un sistema cuántico que tiene un análogo clásico que es caótico (en el sentido del caos determinista en sistemas disipativos). ¿Se puede aplicar el concepto de caos cuántico a sistemas cuánticos sin análogo clásico? Un condensado de Bose-Einstein es un sistema cuántico macroscópico, pero su límite clásico como sistema de muchos cuerpos no está bien definido (la estadística cuántica no tiene análogo clásico). Sin embargo, podemos usar la estadística de las fluctuaciones de los niveles de energía y de las funciones de onda de estos sistemas macroscópicos para estudiar en laboratorio su grado de caos (“caoticidad”) y la transición de comportamiento regular a caótico. Un nuevo artículo propone el estudio del caos cuántico en condensados de Bose-Einstein que presentan acoplamiento espín-órbita. Utilizando láseres se puede inducir cambios entre los dos estados del espín de cada uno de los átomos del condensado y gracias a estos cambios en espacio y tiempo se puede inducir, según la nueva propuesta, una transición entre un comportamiento cuántico regular y caótico. La propuesta, por ahora, es solo teórica y está basada en argumentos cuasiclásicos, pero parece razonable que pueda ser demostrada de forma experimental. En su caso, sería el sistema caótico cuántico ideal para estudiar en laboratorio el caos cuántico en sistemas cuánticos sin análogo clásico. Nos cuenta esta sugerente propuesta Eva-Maria Graefe, “Viewpoint: Quantum Chaos on Display,” Physics 6: 9, Jan 22, 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jonas Larson, Brandon M. Anderson, Alexander Altland, “Chaos-driven dynamics in spin-orbit-coupled atomic gases,” Physical Review A 87: 013624, Jan 22, 2013 [PDF gratis]. Me ha enterado gracias a un tuit de Mauricio Zapata (@mezvan): “creo que esto es un buen trabajo para…

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Carnaval de Física: La producción de pares de fotones entrelazados

Dibujo20130109 generacion fluorescencia parametrica no colineal en cristales

El método más utilizado para producir pares de fotones entrelazados en polarización es la fluorescencia paramétrica (que en inglés se suele llamar spontaneous parametric down-conversion, traducible por “conversión paramétrica hacia abajo espontánea”), también llamada rectificación paramétrica. Se bombea un cristal no lineal, transparente y birrefringente, con un láser a una frecuencia λb y se obtienen dos conos de luz con fotones de frecuencias λs y λi, con λbsi. Cuando los fotones son degenerados, λsi, deberían ser indistinguibles, pero la birrefringencia del cristal obliga a que su polarización sea ortogonal (uno estará polarizado en la dirección horizontal y otro en la vertical). En los dos puntos de intersección de los dos conos de dispersión a la salida del cristal, los fotones se encontrarán en un estado cuántico entrelazado en polarización, es decir, su estado cuántico será |ψ>=1/√2 ( |VH> + |HV> ), donde H y V representan fotones con polarización horizontal y vertical, resp. Estos fotones se utilizan en experimentos que verifican la violación cuántica de las desigualdades de Bell. La eficiencia del proceso depende de la conservación de la energía y del momento de los tres fotones involucrados. Recomiendo leer en español M.G. Mingolla, C.T. Schmiegelow, M.A. Larotonda, “Fuente de pares de fotones entrelazados en polarización,” Anales AFA 21: 45-50, 2009, y M. Torres-Cisneros et al., “Conversión paramétrica en un cristal fotónico no-lineal,” Revista Mexicana de Física 51: 258–264, 2005. En inglés está muy bien el reciente artículo Pablo L. Saldanha, C. H. Monken, “Energy and momentum entanglement in parametric downconversion,” American Journal of Physics 81: 28-32, 2013 [arXiv:1110.2231].

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Francis en Naukas: Los calcetines entrelazados de Adán y Berto

Dibujo20130108 calcetines entrelazados

Adán y Berto son dos estudiantes de física que comparten el mismo piso en Madrid. Ambos comparten una curiosa afición, odian llevar calcetines del mismo color. Adán es andaluz y le gusta usar un calcetín de color verde y otro de color blanco. Los que le conocen saben que si lleva puesto un calcetín verde en el pie derecho, entonces con toda seguridad llevará uno blanco en el izquierdo, y si lleva uno blanco en el derecho, será verde el del izquierdo.” Leer toda la historia en Naukas.com.

“Esta historia viene a colación por la entrada de Adán Cabello (catedrático de la Universidad de Sevilla), “¿Han logrado cambiar el pasado?,” Naukas.com, 16 mayo 2012. Soy un gran admirador del trabajo técnico de Adán Cabello, uno de los expertos más reconocidos a nivel mundial en mecánica cuántica contextual y me alegra mucho de su colaboración con Naukas. Muchos lectores se quejaron de que no la entendieron bien.”

Mi historia, muy en la línea de la sitcom The Big Bang Theory, tenía la intención de aclarar, en términos clásicos, lo que es el intercambio de entrelazamiento (“entanglement swapping“) con elección retardada (“delayed-choice“). No sé lo que opinarán los lectores de este blog que no sean físicos. Escribí la historia hace tiempo, pero tenía miedo a publicarla, pues pensaba que podría confundir más que aclarar. Siempre pienso que este tipo de “analogías” confunden más que aclaran. De hecho, supongo que los lectores que sean físicos dirán que la formulación cuántica del experimento es mucho más clara que mi historia. Y tienen razón.

Hay un punto clave que quisiera destacar, la importancia del contexto: no se pueden entrelazar dos fotones cualesquiera. Tienen que tener un contexto común adecuado. Permíteme ilustrarlo con la notación de Dirac (espero no confundir aún más a los lectores que no sean físicos).

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El teletransporte cuántico vía satélite

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El chino Jian-Wei Pan estudió los secretos del teletransporte cuántico sin cables en el laboratorio del austríaco Anton Zeilinger. El 8 de agosto de 2012 publicó en Nature su récord de 92 km de distancia en China, pero le duró muy poco, fue superado el 5 de septiembre por su maestro, quien alcanzó 144 km en las Islas Canarias. La única posibilidad de lograr una distancia aún mayor es utilizar un satélite. Pan lo ha solicitado a la CNSA (Agencia Espacial China) y Zeilinger a la ESA (Agencia Espacial Europea), pero los trámites en la ESA prometen ser mucho más lentos que en la CNSA, luego Pan tiene visos de ser el ganador de su contienda científica con Zeilinger. Pero hay un problema, los retos técnicos y científicos a superar son enormes. Por ello, Pan y Zeilinger han unido sus fuerzas en la solicitud a la CNSA. Nos lo cuenta Zeeya Merali, “Data teleportation: The quantum space race. Fierce rivals have joined forces in the race to teleport information to and from space,” Nature NewsNature 492: 22-25, 06 Dec 2012.

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Por qué el litio tiene una estructura electrónica 1s² 2s¹ en lugar de 1s² 2p¹

La respuesta a esta pregunta parece obvia, el estado electrónico ²S = 1s² 2s¹ tiene menor energía que el estado ²P = 1s² 2p¹. Pero esta respuesta es poco satisfactoria. ¿Por qué la energía del estado ²S es menor que la del estado ²P? Los estados 2s¹ y 2p¹ son degenerados, tienen la misma energía, pero la interacción electrón-electrón y electrón-núcleo rompen la degeneración. El electrón 2p está más alejado del 1s que el 2s, por lo que la energía de interacción repulsiva electrón-electrón entre ambos debe ser menor para el 2p; como esta energía es positiva se prefiere el 2p. Pero por otro lado, el electrón 2p está más alejado del núcleo que el 2s, su interacción electrón-núcleo es menor debido al apantallamiento del 1s; como esta energía es negativa se prefiere el 2s. La explicación semiclásica habitual afirma que este segundo efecto domina sobre el primero y por ello el estado preferido es el ²S en lugar del ²P. Sin embargo, este argumento tiene un grave problema, no es verdad que el electrón 2p esté más alejado del núcleo que el 2s, como demuestra un cálculo teórico sencillo del radio medio de las funciones de onda correspondientes. Lo sorprendente es que un cálculo cuántico riguroso muestra que, a pesar del apantallamiento del 1s, el electrón 2s es preferido por la interacción repulsiva electrón-electrón que al contrario de lo que un argumento anterior indica es menor para el estado 2s que el 2p. Esta curiosa conclusión, en contra de la intuición, aparece en el artículo técnico de W. S. Stacey, F. Marsiglio, “Why is the ground state electron configuration for Lithium $1s^22s$ ?,” arXiv:1211.3240, 14 Nov 2012; me he enterado gracias a “Why Is Li Atom Ground State In a 1s2 2s Configuration?,” Physics and Physicists, Nov. 16, 2012.

Un nuevo resultado sobre las teorías no locales de variables ocultas que son separables

Protocolo de comunicación superlumínica en una teoría cuántica “modificada” resultado de una teoría de variables ocultas con propagación de señales superlumínicas. (C) Nature Physics.

Hay muchas demostraciones de que la mecánica cuántica no puede ser explicada mediante una teoría de variables ocultas. La mayoría asume una teoría estadística basada en una mecánica clásica local (relativista) y separable, como los famosos teoremas de John von Neumann o John S. Bell. Sin embargo, las teorías no locales o no separables, que permiten la propagación de señales superlumínicas o instantáneas, son harina de otro costal. La única posibilidad de refutar estas teorías de variables ocultas es demostrar que violan alguno de los teoremas que se deducen de la mecánica cuántica, como el teorema de “no clonación” (no-cloning) o el de “no señalización” (no-signaling). Este último teorema afirma que las correlaciones cuánticas entre sistemas entrelazados separados espacialmente no permiten el envío de señales superlumínicas. Nicolas Gisin (Univ. Ginebra, Suiza) y varios colegas, entre ellos el español Antonio Acín (ICFO e ICREA, Barcelona), han demostrado que toda teoría de variables ocultas no separable que permita la propagación de señales superlumínicas, a velocidad finita, viola el teorema de “no señalización,” es decir, sin necesidad de acceder a las variables ocultas, se puede construir un protocolo que aproveche las correlaciones cuánticas entre sistemas entrelazados (en la “mecánica cuántica modificada” descrita por dicha teoría) para transmitir señales superlumínicas. Trabajos previos habían podido demostrarlo para teorías concretas, pero este nuevo trabajo tiene mayor generalidad, por lo que ha sido publicado en la prestigiosa Nature Physics y ha generado cierto revuelo mediático (en muchos casos “tergiversando” las conclusiones del trabajo técnico). El artículo técnico es J-D. Bancal, S. Pironio, A. Acín, Y-C. Liang, V. Scarani, N. Gisin, “Quantum non-locality based on finite-speed causal influences leads to superluminal signalling,” Nature Physics, Published online 28 October 2012 [arXiv:1110.3795].

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