Los científicos están estudiando partículas que rompen la barrera de constante universal de la velocidad de la luz.
Sarah Romero, Periodista científica
05.06.2024 | 20:00
Imagen: https://scitechdaily.com/images/Quantum-Tunneling-Concept.jpg
¿Se puede redefinir el tiempo? Eso es lo que tratan de hacer un equipo de científicos de la Universidad Técnica de Darmstadt de Alemania quienes creen que las mediciones de la medida tiempo podrían ser inexactas al proponer que dentro de un túnel cuántico, las partículas parecen moverse más rápido que la velocidad de la luz, algo que en teoría es físicamente imposible, por lo menos para los objetos con masa.
El complejo reino cuántico
Y es que el mundo cuántico es tremendamente intrigante; si nos alejamos de la mecánica clásica que guía el mundo que nos rodea, incluso la teoría de la relatividad se tambalea. La mecánica clásica, también conocida como mecánica newtoniana, tiene sus raíces en los trabajos de Sir Isaac Newton, quien formuló las leyes del movimiento y la gravitación universal en el siglo XVII que proporcionaron un marco integral para comprender el movimiento de objetos macroscópico. Su previsibilidad permite modelar con precisión los fenómenos cotidianos, desde la trayectoria de una pelota de golf hasta las órbitas de los planetas. Pero la mecánica cuántica es otra historia. Es un mundo donde las leyes convencionales de la física clásica se desmoronan, dando paso a fenómenos extraños que desafían nuestra comprensión de la realidad. Es el reino de lo impredecible. A diferencia del mundo determinista de la mecánica clásica, la mecánica cuántica es inherentemente probabilística.
Hoy nos adentramos en uno de los fenómenos más fascinantes que desafían la comprensión de nuestro universo: el túnel cuántico.
Los investigadores alemanes han propuesto un nuevo método para medir el tiempo que tardan las partículas en hacer un túnel. Su innovador diseño experimental ha sido publicado en la revista Science Advances y tiene como objetivo redefinir el concepto de "tiempo" para una partícula que, según su investigación, parece moverse más rápido que la velocidad de la luz y, por tanto, rompiendo -aparentemente- las reglas fundamentales establecidas por la relatividad de Albert Einstein.
¿Romper la velocidad de la luz con túneles cuánticos?Midjourney/Sarah Romero
Túnel cuántico
En la física clásica, una partícula como un electrón sólo puede atravesar una barrera de energía potencial si tiene la energía para superarla. Pero los físicos Patrik Schach y Enno Giese de TU Darmstadt han propuesto un método para medir el tiempo de una manera que creen que se adapta mejor a la naturaleza cuántica de los túneles y en el que una partícula puede cruzar dicha barrera incluso si sus niveles de energía son más bajos.
El efecto de túnel cuántico se manifiesta cuando partículas atraviesan barreras que, según la física clásica, no deberían poder superar. Este fenómeno no solo pone a prueba nuestra comprensión de las leyes físicas, sino que también plantea la posibilidad de que las partículas se desplacen a velocidades superiores a la de la luz, una idea que tiene implicaciones profundas para nuestro entendimiento del universo.
Progreso de la construcción de túneles de un reloj de RamseyScience Advances (2024
Su naturaleza ondulatoria puede ayudarles a superar una barrera energética
¿Cómo es posible? Debido a las propiedades ondulatorias de la partícula en la mecánica cuántica, que le permiten "hacer un túnel" a través de la barrera incluso a un nivel de energía más bajo. Según la sorprendente y difícil de entender, mecánica cuántica, este túnel es subjetivo al ancho y alto de la barrera y a la energía de la partícula. Es decir, el túnel cuántico posibilita que un electrón, por ejemplo, atraviese una barrera de energía potencial que clásicamente no puede superar. Recordemos que en mecánica cuántica, las partículas poseen propiedades tanto de onda como de partícula, lo que se denomina naturaleza dual, por lo que existe la probabilidad de que la partícula sea capaz de 'construir' un túnel a través de esa barrera. Además, la creación de túneles cuánticos no viola la ley de conservación de la energía porque la partícula en cuestión no gana ni pierde energía mientras hace el túnel. Esencialmente, los túneles cuánticos resaltan la naturaleza ondulatoria de las partículas; así, si una pequeña porción de ondas penetra la barrera, existe una pequeña probabilidad de que la partícula aparezca al otro lado de la barrera sin perder energía (y sin violar la ley de conservación de la energía).
Los expertos proponen usar la partícula túnel como si fuera un reloj. Una partícula que no forme un túnel servirá como referencia en dicha configuración. Si comparamos estos dos relojes naturales, cabría la posibilidad de determinar si el tiempo viaja más rápido, más lento o igualmente rápido cuando la partícula hace un túnel.
En la física clásica existen reglas estrictas que no se pueden eludir.Midjourney/Sarah Romero
¿Cómo llevar a cabo este experimento?
Utilizando un pulso láser con el que usarán los niveles de energía oscilantes entre los átomos para medir este tiempo transcurrido. Se emplearán nubes de átomos en vez de átomos individuales para amplificar el efecto.
El láser hará oscilar los átomos y pondrá en marcha el reloj. Durante la tunelización, se produce un pequeño cambio en el ritmo y se utilizará un segundo pulso láser para provocar que las ondas interfieran. Durante el fenómeno de túnel, ocurre una ligera variación en el ritmo, y se empleará un segundo pulso láser para generar la interferencia de las ondas. Al analizar la interferencia, se obtendrá el tiempo transcurrido. ¿Transcurrirá más lento, más rápido o igualmente rápido durante el túnel cuántico?
"El reloj tunelado es ligeramente más antiguo que el otro", afirma Patrik Schach, coautor del trabajo, contradiciendo los experimentos que atribuían la velocidad superluminal al túnel.
¿Se pondrá en práctica? La posibilidad de que un equipo de investigadores decida llevar a cabo este apasionante experimento en un breve espacio de tiempo es bastante real, a tenor de los científicos ya han estado hablando con físicos experimentales para concretar los detalles del experimento.
Comprender cómo funciona el tiempo en los túneles cuánticosMidjourney/Sarah Romero
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Referencias:
Patrik Schach, Enno Giese, et al, A unified theory of tunneling times promoted by Ramsey clocks, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adl6078
Alexander van Spaendonck, Marcel Vonk. Exact instanton transseries for quantum mechanics. SciPost Physics, 2024; 16 (4) DOI: 10.21468/SciPostPhys.16.4.103
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Fuente:
