Observador y mecánica cuántica: Las mediciones colapsan el espín atómico

La mecánica cuántica es una rama de la física que se ocupa de los fenómenos físicos a escalas microscópicas. Una de sus leyes más básicas señala que un sistema cuántico puede estar en más de un estado – o puede existir en múltiples realidades – a la vez.

Pero este fenómeno, conocido como principio de superposición, existe sólo mientras dicho sistema no sea observado o medido de alguna manera.

En cambio, tan pronto como el sistema es medido, la superposición se acaba: el sistema colapsa, ‘decantándose’ por un único estado. En ese momento, la experiencia del mundo que nos rodea pasa a existir en una única realidad.

O, dicho de otra manera, el sistema observado dejaría de exhibir efectos cuánticos y pasaría a exhibir un comportamiento típicamente clásico, sin los efectos contraintuitivos típicos de la mecánica cuántica.

Observando el colapso

El principio de superposición fue demostrado por vez primera en 1922 por Otto Stern y Walther Gerlach, quienes observaron este fenómeno en el espín de átomos de plata.

El espín es el momento angular intrínseco de las partículas subatómicas o cuánticas. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con la mecánica clásica, en la que se asocia el momento angular con la rotación de los objetos, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico, que no se puede relacionar de forma directa con una rotación en el espacio. Por tanto, la ‘rotación’ del espín sería solo una imagen mental útil, destinada a tratar de comprender el comportamiento de las partículas subatómicas en el espacio.

Lo que sí se sabe con certeza del espín es que cuando este se encuentra en superposición (en más de un estado), señala hacia más de una dirección al mismo tiempo (en lugar de bien al norte bien al sur como los imanes, apuntaría hacia ‘arriba’ y hacia ‘abajo’ a la vez).

En esta extraña característica se centraron el investigador Roee Ozeri y sus colaboradores, Yinnon Glickman, Shlomi Kotler y Nitzan Akerman, del Departamento Física de Sistemas Complejos del Weizmann Institute of Science de Israel.

Según publica dicho instituto, estos científicos han estudiado cómo el espín de átomos individuales colapsa desde la superposición hasta un estado concreto, cuando es observado con luz. En su proceso de análisis, los investigadores ‘midieron’ los átomos iluminándolos en concreto con luz láser.

Del mismo modo que nuestros ojos observan el mundo gracias a la absorción de fotones –partículas de luz – que los objetos dispersan hacia donde quiera que nos encontremos, Ozeri y su equipo observaron el proceso de colapso del espín en los átomos midiendo los fotones que estos dispersaban.

Tras la separación, siguen funcionando como sistema

Los resultados obtenidos, que han sido publicados por Science, demuestran que la dirección que sigue un fotón al abandonar su átomo es la misma que adopta el espín cuando su estado de superposición colapsa.

A continuación, el equipo midió la polarización (oscilación del campo eléctrico en un plano determinado) de los fotones emitidos, para constatar asimismo que la polarización observada determina el efecto de la medición del espín.

Este hecho sugiere que el observador puede influir en el colapso de la superposición del espín, simplemente ajustando la orientación de su aparato para la medición de la polarización fotónica.

La causa de esta «acción-a-distancia», explican los científicos, es que los espines de los átomos medidos y los fotones que estos emitieron estaban ‘entrelazados’. Esto significaría que, antes de su separación, no pueden definirse como partículas individuales con estados definidos, sino más bien como un sistema.

Este entrelazamiento explicaría porqué, incluso una vez separados átomos y fotones, la medición de unos sigue afectando instantáneamente a los otros. El experimento es un paso importante en la comprensión del proceso de medición de los sistemas cuánticos, apunta el comunicado del Weizmann Institute of Science.

Referencia bibliográfica:

Y. Glickman, S. Kotler, N. Akerman, R. Ozeri. Emergence of a Measurement Basis in Atom-Photon Scattering. Science (2013). DOI:10.1126/science.1229650.