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El tiempo existe y no existe en un túnel cuántico

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.

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.

Referencia

Measurement of the time spent by a tunnelling atom within the barrier region. Ramón Ramos et al. Nature volume 583, pages 529–532(2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2490-7

 

Imagen: Genty en Pixabay.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe es el Editor de Tendencias21.

13 comentarios

  • El tiempo existe cuando hay materia. Al despojarse de la materia el tiempo no existe. Y es inremediablemente inexistente cuando la fuerza es superior a la luz. Por lo tanto no hay tiempo en la absoluta oscuridad. No hay materia y no hay fuerza.

  • El»gato de Srodinger», llevado a nivel cuántico, pero esta vez, con tiempo que es, y nos, transcurre o no!
    Tenía entendido que si había una medida para dicho tiempo, y era el «cronon», que mide el tiempo que una partícula recorre» la distancia de Plank «(no recuerdo ahora mismo, si era 10 a la menos 35,o a la menos 43 segundos, pero que sí estaba establecida.
    Otra cosa es que pueda ser medí le, pues no hay aparatos de medición de con dicha precisión.

  • El tiempo es como soñar de dia te pasa todo, llegas puntual o llegas tade .Encambio cuando duermes y logras soñar puedes ir donde tu kieras con kien donde kieras y no existe lo k llamamos tiempo .es decir yo de dia soy un perfecto pelota y cuando duermo sueño me convierto en un atomo no tengo obtaculos y si los hay me comporto segun me observa 👀

  • Cuantas gilipolleces, para explicar cuando no tenemos idea de algo o como medirlo… Como lo del gato de Schrödinger, no es que esté vivo y muerto a la vez (algo imposible), si no que NO SABEN SI ESTA VIVO O MUERTO..

  • El tiempo que podría tardar es directamente proporcional al tamaño de la partícula. Me explico: al entrar al túnel la partícula cambia su forma por » nada » al salir recupera su forma original, lo que tarda la transición es lo tardaría en en entrar y salir ya que en el túnel no existe el espacio por ende distancia osea no hay recorrido.

  • Según mi razonamiento anterior es como si la partícula nunca entrará al túnel no podría, no hay espacio solo lo atraviesa como si el túnel fuera un espejo donde primero se refleja y luego se materializa en el otro extremo sin entrar en el.

  • Si se corta una banana con un cuchillo esta nunca entra en el cuchillo, de igual forma no es posible hacer entrar una partícula en un túnel cuántico lo que realmente sucede es que el túnel cuántico atraviesa la partícula trasladandola a otro punto sin que está entre nunca en el. Esto por cuanto no existe la profundidad en un túnel cuántico sólo nos parece como sucede con el espejo.

  • Se equivocan en tendencias 21 una y otra vez cuando dicen que el experimentos cuánticos se hacen con átomos.Esos experimentos funcionan es con partículas subatómicas. Un átomo es la cantidad de materia ordinaria más pequeña y obedece a las leyes de la física clásica.