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» » » La mecánica de fluidos sugiere alternativas a la ortodoxia cuántica

Referencia: ScienceDaily.com, 12 de septiembre 2014

El misterio central de la mecánica cuántica es que pequeños trozos de materia a veces parecen comportarse como partículas y a veces como ondas. Durante la mayor parte del siglo pasado, la explicación predominante de este enigma ha sido la llamada "interpretación de Copenhague" que sostiene que, en cierto sentido, una sola partícula es realmente una onda difuminada por todo el universo, que se derrumba en un determinada ubicación únicamente cuando se observa. Sin embargo, algunos fundadores de la física cuántica --por ejemplo, Louis de Broglie-- defendieron una interpretación alternativa, conocida como la "teoría de onda piloto", la cual postula que las partículas cuánticas están soportadas por un cierto tipo de onda. Según esta teoría, las partículas tienen trayectorias definidas, pero debido a la influencia de la onda piloto, todavía exhiben unas estadísticas con forma de onda. 

Primeros planos de un experimento llevado a cabo por John Bush y su alumno Daniel Harris, en el que una gota de líquido rebotando se ve propulsada a través de un baño de fluidos por las ondas que genera. Crédito: Dan Harris
John Bush, profesor de matemáticas aplicadas en el MIT, cree que la teoría de onda piloto merece una segunda mirada. Esto se debe a Yves Couder, Emmanuel Fort y sus colegas, en la Universidad Diderot de Paris, que han descubierto recientemente un sistema de onda piloto macroscópica cuya estadística de comportamiento, en determinadas circunstancias, recuerda a la de los sistemas cuánticos.

El sistema de Couder y Fort consiste en un baño en un líquido que vibra a una velocidad justo por debajo del umbral en el que empiezan a formarse las ondas en su superficie. Se libera entonces una gota del mismo fluido encima del baño, incidiendo en la superficie, lo que hace que las ondas irradien hacia fuera. La gotita comienza a moverse a lo largo del baño propulsada por los mismos ondas que crea.

"Este sistema es, sin duda, cuantitativamente diferente de la mecánica cuántica", señala Bush. "Y también es cualitativamente distinto: Hay algunas características de la mecánica cuántica que no podemos capturar, algunas de las características de este sistema que sabemos que no están presentes en la mecánica cuántica, pero ¿son filosóficamente distintas?"

Trayectorias de seguimiento

Bush cree que la interpretación de Copenhague deja de lado el desafío técnico del cálculo de trayectorias de las partículas al negar que existen. "La pregunta clave es si una auténtica dinámica cuántica, en la forma general sugerida por Broglie y las gotas andantes, podrían ser la base para una estadística cuántica", comenta; "aunque no cabe duda de su complejidad, reemplazaría los caprichos filosóficos de una mecánica cuántica con una teoría dinámica separada."

El año pasado, Bush y uno de sus estudiantes, Jan Molacek, ahora en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización, hicieron para su sistema de pioneros cuánticos: Derivaron una ecuación que relaciona la dinámica de las ondas piloto a las trayectorias de las partículas.

En su trabajo, Bush y Molacek, tenían dos ventajas sobre los pioneros cuánticos, aduce Bush. En primer lugar, un sistema de fluidos, tanto los rebotes de la gota como su guía de onda son claramente visibles. Si la gota pasa a través de la abertura de una barrera --como lo hace en la recreación del canónico experimento cuántico--, los investigadores pueden determinar con exactitud su ubicación. La única manera de realizar la medición de una partícula a escala atómica es chocarla con otra partícula, lo cual cambia su velocidad.

La segunda ventaja es el relativamente reciente desarrollo de la teoría del caos. El pionero, Edward Lorenz, del MIT, en la década de 1960, con la teoría del caos sostuvo que muchos sistemas físicos macroscópicos son tan sensibles a las condiciones iniciales que, a pesar de que pueden ser descritos por una teoría determinista, evolucionan de una forma impredecible. Un modelo de sistema de pronóstico del tiempo, por ejemplo, podría dar resultados completamente distintos si el viento en un lugar y momento determinado va a una velocidad u otra.

El sistema de onda piloto de fluidos también es caótico. Es imposible medir la posición de gota rebotando con la precisión suficiente para predecir su trayectoria muy lejos en el futuro. Sin embargo, en una serie de estudios recientes, Bush y el profesor de matemática aplicada del MIT, Ruben Rosales, además de los estudiantes de postgrado Anand Oza y Dan Harris, aplicaron su teoría de onda piloto para demostrar cómo la caótica dinámica de onda piloto lleva a unas estadísticas similares a las cuánticas observadas en sus experimentos.

¿Qué es más real?

En un artículo de revisión publicado en Annual Review of Fluid Mechanics, Bush explora la conexión entre el sistema de fluidos de Couder y las teorías cuánticas de onda piloto propuestas por De Broglie y otros.

La interpretación de Copenhague es esencialmente la afirmación de que en el reino cuántico, no hay una descripción más profunda que la estadística. Cuando se realiza una medición sobre una partícula cuántica, y la forma de onda colapsa, se supone que el estado que asume la partícula es totalmente aleatorio. Según la interpretación de Copenhague, las estadísticas no sólo describen la realidad; sino que son la realidad.

Pero a pesar de la primacía de la interpretación de Copenhague, la intuición de que los objetos físicos, no importa cuán pequeños sean, sólo puede estar en un sitio a la vez y ha sido difícil para los físicos cambiar esto. Albert Einstein, famoso porque dudaba de que ‘Dios jugara a los dados’ con el universo, trabajó durante un tiempo en lo que él llamó la teoría de la "onda fantasma" de la mecánica cuántica, que se cree basada en una elaboración de la teoría de de Broglie. En su 1976, el premio Nobel, Murray Gell-Mann, declaró que Niels Bohr, el principal exponente de la interpretación de Copenhague, "lavó el cerebro a toda una generación de físicos con la creencia de que el problema había sido resuelto." John Bell, el físico irlandés cuyo famoso teorema se toma a menudo equivocadamente para repudiar todo discurso de "variables ocultas" de la mecánica cuántica, fue, de hecho, él mismo un proponente de la teoría de la onda piloto. "Para mi es un gran misterio que haya sido ignorada tan profundamente", dijo.

Luego está David Griffiths, un físico cuyo "Introducción a la Mecánica Cuántica" es un estándar en este campo. En el epílogo a ese libro, dice que la interpretación de Copenhague "ha resistido la prueba del tiempo y ha salido airosa de cada desafío experimental". Sin embargo, concluye, "es muy posible que las generaciones futuras miren hacia atrás, desde el punto de vista de una teoría más sofisticada, y nos preguntaremos cómo pudimos haber sido tan crédulos."

"El trabajo de Yves Couder y su relación con el de John Bush, ofrecen la posibilidad de comprender los fenómenos cuánticos previamente incomprensibles, lo que supone llevar 'la dualidad onda-partícula," al terreno de la física clásica", subraya Keith Moffatt, profesor emérito de física matemática en la Universidad Cambridge. "Creo que el trabajo es brillante, uno de los desarrollos más interesantes de la mecánica de fluidos de este siglo."


- Fuente: Massachusetts Institute of Technology.
- Publicación: John W.M. Bush. Pilot-Wave Hydrodynamics. Annual Review of Fluid Mechanics, 2014 DOI: 10.1146/annurev-fluid-010814-014506.
- Imagen. Primeros planos de un experimento llevado a cabo por John Bush y su alumno Daniel Harris, en el que una gota de líquido rebotando se ve propulsada a través de un baño de fluidos por las ondas que genera. Crédito: Dan Harris

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