Salto cuántico
Una nueva puerta al mundo cuántico: cuando un átomo absorbe o libera energía mediante el salto cuántico de un electrón, se vuelve más pesado o más ligero, según la teoría de la relatividad de Einstein (E = mc²). Sin embargo, el efecto es minúsculo para un solo átomo. Sin embargo, el equipo de Klaus Blaum y Sergey Eliseev, del Instituto Max Planck de Física Nuclear, ha logrado medir por primera vez este minúsculo cambio en la masa de átomos individuales. Para ello utilizaron la balanza atómica ultraprecisa Pentatrap del instituto de Heidelberg. El equipo descubrió en el renio un estado cuántico nunca antes observado, que podría ser interesante para futuros relojes atómicos.
Asombroso, pero cierto: si se da cuerda a un reloj mecánico, éste se vuelve más pesado. Lo mismo ocurre cuando cargas tu smartphone. Esto se explica por la equivalencia entre energía (E) y masa (m), que Einstein expresó en la fórmula más famosa de la física: E = mc² (c: velocidad de la luz en el vacío). Sin embargo, este efecto es tan pequeño que escapa por completo a nuestra experiencia cotidiana. Una balanza convencional no sería capaz de detectarlo.
Para atrapar e invertir un salto cuántico en pleno vuelo
Las dos teorías de la relatividad de Einstein nos han demostrado que cuando las cosas se mueven muy deprisa o cuando los objetos adquieren masa, el universo presenta propiedades muy extrañas. Lo mismo ocurre en el mundo microscópico de las interacciones cuánticas. Cuanto más profundizamos en el macrocosmos y el microcosmos, más nos alejamos de las cosas que tienen sentido para nosotros en nuestro mundo cotidiano.
En el corazón de la teoría de la relatividad está la idea de que lo que experimentas es real para ti, pero no necesariamente para otra persona: depende de tu marco de referencia. Esto también puede decirse del mundo cuántico, pero con menos certeza. Porque lo que encontramos en el marco de la mecánica cuántica es que los acontecimientos se basan en la probabilidad y no en la certeza. Y el resultado probable de cualquier acontecimiento depende a menudo de lo que se busque.
En “La naturaleza dual de la luz” hablé de la dualidad onda-partícula de la luz y abordé algunos aspectos de la cuántica. En esta sección ampliaremos ese debate preguntándonos por qué la energía tiene que venir en trozos, o cuantos, y cómo esto nos llevaría en la siguiente sección a la extraña naturaleza de las interacciones cuánticas, donde todo es tan incierto. También veremos las teorías clave de algunos de los grandes físicos que ayudaron a definir este extraño paisaje cuántico. Próxima parada, la zona cuántica.
Charla Ted sobre física cuántica
Un electrón en órbita en un átomo realiza saltos entre niveles de energía, conocidos como saltos cuánticos o saltos. El átomo crea un fotón cuando un electrón se desplaza a un nivel de energía inferior y absorbe un fotón cuando un electrón se desplaza a un nivel de energía superior o abandona el átomo (ionización). Esto se ilustra a continuación.
Hay dos razones para esta energía cuantizada que serán explicadas por la mecánica clásica en esta sección, ambas relacionadas con el espín de un protón. Los protones tienen un espín similar al de los electrones. En el modelo pentaquark revisado del protón, hay cuatro quarks tetraédricos y un anti-quark en el centro. Los quarks tetraédricos cancelan el espín (+ ½, + ½, – ½, – ½), dejando el anti-quark/positrón en el centro que es el responsable del espín. Tiene un valor de +½ o -½. El anti-quark/positrón refleja ondas longitudinales que son responsables de la fuerza eléctrica (fuerza de Coulomb), pero su espín también crea una segunda onda transversal como se ilustra a continuación en rojo.
Existen dos direcciones para el espín, también conocido como espín arriba o espín abajo en la física moderna. Dado que los saltos cuánticos están relacionados con la disposición de los protones en el núcleo, que se ve afectada por su estructura tetraédrica, en esta teoría se utilizan los siguientes iconos:
Banda de salto cuántico
La expresión “salto cuántico” ha sido muy utilizada en las últimas décadas; a muchos les recuerda a un cliché de cambio masivo o al programa de ciencia ficción protagonizado por Scott Bakula. En realidad, describe uno de los principios básicos de la física cuántica: que los átomos tienen niveles de energía discretos, y los electrones de un átomo pueden saltar de un nivel de energía al siguiente, pero no pueden observarse entre esos niveles específicos.
Ahora, Zlatko Minev, de la Universidad de Yale, y sus colegas han zanjado el debate. “Si nos acercamos a una escala muy fina, el salto no es ni instantáneo ni tan completamente aleatorio como pensábamos”, afirma Minev.
Los investigadores lo consiguieron construyendo un circuito eléctrico superconductor con un comportamiento cuántico que lo convierte en un análogo del átomo con tres niveles de energía: el estado de reposo, que es el estado por defecto del átomo, un estado “brillante” conectado al estado de reposo y un estado “oscuro” al que puede saltar el átomo.
Dispararon un haz de microondas al átomo artificial para inyectar energía en el sistema. En general, el átomo rebotaba rápidamente entre el estado sólido y el brillante, emitiendo un fotón cada vez que saltaba del brillante al sólido. Pero si el átomo absorbía un fotón de mayor energía del haz, saltaba al estado oscuro. El estado oscuro era más estable que el brillante, por lo que el átomo permanecía en él más tiempo sin emitir fotones.