El experimento de elección retardada de Wheeler describe una familia de experimentos mentales en física cuántica propuestos por John Archibald Wheeler , siendo los más destacados los que aparecieron en 1978 y 1984. [1] Estos experimentos ilustran el punto central de la teoría cuántica:
Es erróneo atribuir una tangibilidad al fotón en todo su recorrido desde el punto de entrada hasta su último instante de vuelo. [2] : 184
Estos experimentos cierran un agujero negro en la demostración tradicional del experimento de doble rendija de que el comportamiento cuántico depende de la disposición experimental. El agujero negro ha sido llamado un modelo de "conspiración" donde la luz de alguna manera "detecta" el aparato experimental, ajustando su comportamiento al comportamiento de las partículas o de las ondas. Al alterar el aparato después de que se supone que el fotón está en "vuelo", el agujero negro se cierra. Las versiones cósmicas de la elección retardada utilizan fotones emitidos hace miles de millones de años; los resultados no cambian. [3] El concepto de elección retardada ha sido productivo de muchos experimentos reveladores. [4] Las nuevas versiones del concepto de elección retardada utilizan efectos cuánticos para controlar las "elecciones", lo que conduce a experimentos cuánticos de elección retardada.
El experimento de elección retardada de Wheeler demuestra que ningún modelo de propagación de partículas consistente con la relatividad explica la teoría cuántica. [2] : 184 Al igual que el experimento de la doble rendija , el concepto de Wheeler tiene dos caminos equivalentes entre una fuente y un detector. Al igual que las versiones de la doble rendija en las que se indica en qué dirección se mueve, el experimento se ejecuta en dos versiones: una diseñada para detectar interferencias de ondas y otra diseñada para detectar partículas. El nuevo ingrediente del enfoque de Wheeler es una elección retardada entre estos dos experimentos. La decisión de medir la interferencia de ondas o el camino de las partículas se retrasa hasta justo antes de la detección. El objetivo es garantizar que cualquier partícula u onda que viaje haya pasado por el área de dos caminos distintos en el sistema cuántico antes de que se haga la elección del experimento. [5] : 967
En un intento de evitar destruir las ideas normales de causa y efecto, algunos teóricos [¿ quiénes? ] sugirieron que la información sobre si había o no un segundo divisor de haz instalado podría transmitirse de alguna manera desde el punto final del dispositivo experimental de vuelta al fotón cuando estaba entrando en ese dispositivo experimental, permitiéndole así tomar la "decisión" adecuada. Así que Wheeler propuso una versión cósmica de su experimento. En ese experimento mental, se pregunta qué sucedería si un cuásar u otra galaxia a millones o miles de millones de años luz de la Tierra pasara su luz alrededor de una galaxia intermedia o un cúmulo de galaxias que actuaría como una lente gravitatoria. Un fotón que se dirigiera exactamente hacia la Tierra se encontraría con la distorsión del espacio en las proximidades de la galaxia masiva intermedia. En ese punto tendría que "decidir" si ir en un sentido alrededor de la galaxia que actúa como lente, viajando como una partícula, o ir en ambos sentidos viajando como una onda. Cuando el fotón llegara a un observatorio astronómico en la Tierra, ¿qué sucedería? Debido al efecto de lente gravitacional, los telescopios del observatorio ven dos imágenes del mismo cuásar, una a la izquierda de la galaxia que ejerce el efecto de lente gravitacional y otra a la derecha de la misma. Si el fotón ha viajado como partícula y entra en el tubo de un telescopio que apunta a la imagen del cuásar de la izquierda, debe haber decidido viajar como partícula durante todos esos millones de años, o eso dicen algunos experimentadores. Ese telescopio está apuntando en la dirección equivocada para captar algo de la otra imagen del cuásar. Si el fotón viajó como partícula y fue en sentido contrario, entonces sólo será captado por el telescopio que apunta al "cuásar" de la derecha. Por lo tanto, hace millones de años el fotón decidió viajar en su forma de partícula y eligió aleatoriamente el otro camino. Pero los experimentadores ahora deciden probar algo diferente. Dirigen la salida de los dos telescopios a un divisor de haz, como se muestra en el diagrama, y descubren que una salida es muy brillante (lo que indica una interferencia positiva) y que la otra salida es esencialmente cero, lo que indica que los pares de funciones de onda entrantes se han autoanulado.
Wheeler entonces juega el papel de abogado del diablo y sugiere que tal vez para que se obtengan esos resultados experimentales habría que tener en cuenta que en el instante en que los astrónomos insertaron su divisor de haz, los fotones que habían salido del cuásar algunos millones de años atrás decidieron retroactivamente viajar como ondas, y que cuando los astrónomos decidieron sacar nuevamente su divisor de haz esa decisión fue telegrafiada a través del tiempo a los fotones que salían algunos millones de años más algunos minutos en el pasado, de modo que los fotones decidieron retroactivamente viajar como partículas.
Se han llevado a cabo varias formas de implementar la idea básica de Wheeler en experimentos reales y respaldan la conclusión que Wheeler anticipó [ cita requerida ] : que lo que se hace en el puerto de salida del dispositivo experimental antes de que se detecte el fotón determinará si muestra fenómenos de interferencia o no.
Un segundo tipo de experimento se parece al experimento de la doble rendija común. El diagrama esquemático de este experimento muestra que una lente en el lado más alejado de las rendijas dobles hace que el camino de cada rendija diverja ligeramente del de la otra después de que se cruzan bastante cerca de esa lente. El resultado es que las dos funciones de onda para cada fotón estarán en superposición dentro de una distancia bastante corta de las rendijas dobles, y si se proporciona una pantalla de detección dentro de la región en la que las funciones de onda están en superposición, se verán patrones de interferencia. No hay forma de determinar si un fotón dado llegó desde una u otra de las rendijas dobles. Sin embargo, si se quita la pantalla de detección, las funciones de onda en cada camino se superpondrán en regiones de amplitudes cada vez más bajas, y sus valores de probabilidad combinados serán mucho menores que los valores de probabilidad no reforzados en el centro de cada camino. Cuando se apuntan los telescopios para interceptar el centro de los dos caminos, habrá probabilidades iguales de casi el 50% de que un fotón aparezca en uno de ellos. Cuando se detecta un fotón con el telescopio 1, los investigadores pueden asociarlo con la función de onda que surgió de la rendija inferior. Cuando se detecta uno con el telescopio 2, los investigadores pueden asociar ese fotón con la función de onda que surgió de la rendija superior. La explicación que apoya esta interpretación de los resultados experimentales es que un fotón ha surgido de una de las rendijas, y ahí se acaba el asunto. Un fotón debe haber comenzado en el láser, haber pasado por una de las rendijas y haber llegado siguiendo una única trayectoria en línea recta al telescopio correspondiente.
La explicación retrocausal, que Wheeler no acepta, dice que con la pantalla de detección en su lugar, la interferencia debe manifestarse. Para que la interferencia se manifieste, una onda de luz debe haber emergido de cada una de las dos rendijas. Por lo tanto, un solo fotón al entrar en el diafragma de doble rendija debe haber "decidido" que necesita pasar por ambas rendijas para poder interferir consigo mismo en la pantalla de detección. Para que no se manifieste ninguna interferencia, un solo fotón que entra en el diafragma de doble rendija debe haber "decidido" pasar solo por una rendija porque eso haría que se mostrara en la cámara del telescopio único apropiado.
En este experimento mental, los telescopios están siempre presentes, pero el experimento puede comenzar con la pantalla de detección presente pero luego se retira justo después de que el fotón sale del diafragma de doble rendija, o el experimento puede comenzar con la pantalla de detección ausente y luego se inserta justo después de que el fotón sale del diafragma. Algunos teóricos sostienen que insertar o quitar la pantalla en medio del experimento puede obligar a un fotón a decidir retroactivamente pasar por las rendijas dobles como una partícula cuando previamente la había transitado como una onda, o viceversa. Wheeler no acepta esta interpretación.
El experimento de la doble rendija, al igual que los otros seis experimentos idealizados (microscopio, haz dividido, dientes inclinados, diagrama de radiación, polarización de un fotón y polarización de fotones apareados), impone una elección entre modos complementarios de observación. En cada experimento hemos encontrado una manera de retrasar esa elección del tipo de fenómeno que se debe buscar hasta la etapa final de desarrollo del fenómeno, y depende del tipo de dispositivo de detección que escojamos entonces. Ese retraso no influye en las predicciones experimentales. En este sentido, todo lo que encontramos fue prefigurado en esa frase solitaria y elocuente de Bohr: "... no puede haber diferencia, en lo que respecta a los efectos observables que se obtienen mediante un arreglo experimental definido, si nuestros planes para construir o manejar los instrumentos están fijados de antemano o si preferimos posponer la finalización de nuestra planificación hasta un momento posterior, cuando la partícula ya está en camino de un instrumento a otro". [8]
En la interpretación de Bohm de la mecánica cuántica , la partícula obedece a la mecánica clásica excepto que su movimiento tiene lugar bajo la influencia adicional de su potencial cuántico . [9] [10] [11] : 279 Un fotón o un electrón tiene una trayectoria definida y pasa a través de una u otra de las dos rendijas y no ambas, tal como es en el caso de una partícula clásica. El pasado está determinado y permanece como era hasta el momento T 1 cuando la configuración experimental para detectarlo como una onda se cambió a la de detectar una partícula en el tiempo de llegada T 2 . En T 1 , cuando se cambió la configuración experimental, el potencial cuántico de Bohm cambia según sea necesario, y la partícula se mueve clásicamente bajo el nuevo potencial cuántico hasta T 2 cuando se detecta como una partícula. Así, la mecánica bohmiana restaura la visión convencional del mundo y su pasado. El pasado está ahí fuera como una historia objetiva inalterable retroactivamente por elección retrasada. El potencial cuántico contiene información sobre las condiciones de contorno que definen el sistema y, por lo tanto, cualquier cambio en la configuración experimental se refleja en cambios en el potencial cuántico que determina la dinámica de la partícula. [11] : 6.7.1 Sin embargo, el potencial cuántico no es local y cualquier cambio en él es instantáneo, incompatible con la relatividad. [12] : 121
La discusión original de John Wheeler sobre la posibilidad de un cuanto de elección retardada apareció en un ensayo titulado "Ley sin ley", que se publicó en un libro que él y Wojciech Hubert Zurek editaron llamado Teoría cuántica y medición , pp 182-213. Introdujo sus comentarios repitiendo la discusión entre Albert Einstein, que quería una realidad comprensible, y Niels Bohr, que pensaba que el concepto de realidad de Einstein era demasiado restringido. Wheeler indica que Einstein y Bohr exploraron las consecuencias del experimento de laboratorio que se discutirá a continuación, uno en el que la luz puede encontrar su camino desde una esquina de una matriz rectangular de espejos semiplateados y totalmente plateados hasta la otra esquina, y luego puede revelarse no solo como si hubiera recorrido la mitad del perímetro por un solo camino y luego hubiera salido, sino también como si hubiera recorrido ambos caminos alrededor del perímetro y luego hubiera "elegido" si salir por un puerto o por el otro. Este resultado no solo es válido para los rayos de luz, sino también para los fotones de luz individuales. Wheeler comentó:
El experimento en forma de interferómetro , del que hablaron Einstein y Bohr, podría utilizarse teóricamente para investigar si un fotón a veces sigue un solo camino, siempre sigue dos caminos pero a veces sólo utiliza uno, o si aparecería algo más. Sin embargo, era más fácil decir: "Durante ejecuciones aleatorias del experimento, insertaremos el segundo espejo semiplateado justo antes de que el fotón llegue allí", que encontrar una forma de hacer una sustitución tan rápida. La velocidad de la luz es demasiado rápida para permitir que un dispositivo mecánico haga este trabajo, al menos dentro de los confines de un laboratorio. Se necesitó mucho ingenio para solucionar este problema.
Después de que se publicaran varios experimentos de apoyo, Jacques et al. afirmaron que un experimento suyo sigue completamente el esquema original propuesto por Wheeler. [13] [14] Su complicado experimento se basa en el interferómetro de Mach-Zehnder , que implica un generador de fotones de centro de color N-V de diamante activado, polarización y un modulador electroóptico que actúa como un divisor de haz conmutable. La medición en una configuración cerrada mostró interferencia, mientras que la medición en una configuración abierta permitió determinar la trayectoria de la partícula, lo que hizo que la interferencia fuera imposible.
La versión Wheeler del experimento del interferómetro no se pudo realizar en un laboratorio hasta hace poco debido a la dificultad práctica de insertar o retirar el segundo divisor de haz en el breve intervalo de tiempo entre la entrada del fotón en el primer divisor de haz y su llegada a la ubicación prevista para el segundo divisor de haz. Esta realización del experimento se realiza ampliando las longitudes de ambos caminos mediante la inserción de largos tramos de cable de fibra óptica. De este modo, el intervalo de tiempo involucrado en los tránsitos a través del aparato es mucho mayor. Un dispositivo conmutable de alta velocidad en un camino, compuesto por un interruptor de alto voltaje, una célula de Pockels y un prisma de Glan-Thompson , permite desviar ese camino de su destino ordinario de modo que el camino llegue efectivamente a un callejón sin salida. Con el desvío en funcionamiento, nada puede llegar a ninguno de los detectores por ese camino, por lo que no puede haber interferencias. Con él apagado, el camino reanuda su modo de acción normal y pasa a través del segundo divisor de haz, haciendo que reaparezca la interferencia. Este dispositivo no inserta y retira realmente el segundo divisor de haz, pero sí permite pasar de un estado en el que aparecen interferencias a un estado en el que no pueden aparecer, y hacerlo en el intervalo entre la luz que entra en el primer divisor de haz y la luz que sale del segundo. Si los fotones hubieran "decidido" entrar en el primer divisor de haz como ondas o partículas, deben haber recibido instrucciones para deshacer esa decisión y atravesar el sistema en su otra forma, y deben haberlo hecho sin que se transmitiera ningún proceso físico a los fotones entrantes o al primer divisor de haz porque ese tipo de transmisión sería demasiado lenta incluso a la velocidad de la luz. La interpretación de Wheeler de los resultados físicos sería que en una configuración de los dos experimentos se recibe una única copia de la función de onda de un fotón entrante, con una probabilidad del 50%, en uno u otro detector, y que en la otra configuración dos copias de la función de onda, que viajan por caminos diferentes, llegan a ambos detectores, están desfasadas entre sí y, por lo tanto, presentan interferencias. En un detector, las funciones de onda estarán en fase entre sí y el resultado será que el fotón tiene una probabilidad del 100% de aparecer en ese detector. En el otro detector, las funciones de onda estarán desfasadas 180°, se cancelarán entre sí exactamente y habrá una probabilidad del 0% de que sus fotones relacionados aparezcan en ese detector. [15]
El experimento cósmico concebido por Wheeler podría describirse como análogo al experimento del interferómetro o como análogo al experimento de doble rendija. Lo importante es que mediante un tercer tipo de dispositivo, un objeto estelar masivo que actúa como lente gravitacional, los fotones de una fuente pueden llegar por dos vías. Dependiendo de cómo se dispongan las diferencias de fase entre pares de funciones de onda, se pueden observar en consecuencia diferentes tipos de fenómenos de interferencia. Los experimentadores pueden controlar si se deben fusionar o no las funciones de onda entrantes, y cómo se deben fusionar. No se introducen diferencias de fase en las funciones de onda mediante el aparato experimental como en los experimentos de interferómetro de laboratorio, por lo que, a pesar de no haber un dispositivo de doble rendija cerca de la fuente de luz, el experimento cósmico se acerca más al experimento de doble rendija. Sin embargo, Wheeler planeó que el experimento fusionara las funciones de onda entrantes mediante el uso de un divisor de haz. [16]
La principal dificultad para realizar este experimento es que el experimentador no tiene control ni conocimiento sobre cuándo cada fotón comenzó su viaje hacia la Tierra, y no conoce las longitudes de cada uno de los dos caminos entre el cuásar distante. Por lo tanto, es posible que las dos copias de una función de onda lleguen en momentos diferentes. Para hacerlas coincidir en el tiempo de modo que puedan interactuar, sería necesario utilizar algún tipo de dispositivo de retardo en el primero que llegue. Antes de poder realizar esa tarea, sería necesario encontrar una forma de calcular el retraso temporal.
Una sugerencia para sincronizar las entradas de los dos extremos de este aparato experimental cósmico reside en las características de los cuásares y en la posibilidad de identificar eventos idénticos de alguna característica de señal. La información de los cuásares gemelos que Wheeler utilizó como base de su especulación llega a la Tierra con aproximadamente 14 meses de diferencia. [17] Encontrar una manera de mantener un cuanto de luz en algún tipo de bucle durante más de un año no sería fácil.
La versión de Wheeler del experimento de la doble rendija está diseñada de modo que el mismo fotón que emerge de dos rendijas puede detectarse de dos maneras. La primera permite que los dos caminos se junten, permite que las dos copias de la función de onda se superpongan y muestra la interferencia. La segunda manera se aleja de la fuente de fotones hasta una posición donde la distancia entre las dos copias de la función de onda es demasiado grande para mostrar los efectos de interferencia. El problema técnico en el laboratorio es cómo insertar una pantalla de detector en un punto apropiado para observar los efectos de interferencia o quitar esa pantalla para revelar los detectores de fotones que pueden restringirse a recibir fotones de las estrechas regiones del espacio donde se encuentran las rendijas. Una manera de lograr esa tarea sería utilizar los espejos conmutables eléctricamente desarrollados recientemente y simplemente cambiar las direcciones de los dos caminos desde las rendijas encendiendo o apagando un espejo. A principios de 2014 [update]no se había anunciado ningún experimento de este tipo.
El experimento cósmico descrito por Wheeler tiene otros problemas, pero dirigir copias de la función de onda a un lugar u otro mucho después de que el fotón en cuestión haya "decidido" presumiblemente si será una onda o una partícula no requiere gran velocidad en absoluto. Se dispone de unos mil millones de años para realizar la tarea.
La versión cósmica del experimento del interferómetro podría adaptarse para funcionar como un dispositivo cósmico de doble rendija, como se indica en la ilustración. [18] : 66
El primer experimento real que sigue la intención de Wheeler de someter un aparato de doble rendija a una determinación final del método de detección es el de Walborn et al. [19] .
Los investigadores con acceso a radiotelescopios diseñados originalmente para la investigación SETI han explicado las dificultades prácticas de llevar a cabo el experimento interestelar Wheeler. [20]
En lugar de activar mecánicamente un retardo, las versiones más nuevas del experimento de elección retardada diseñan dos caminos controlados por efectos cuánticos. El experimento general crea entonces una superposición de los dos resultados, comportamiento de partículas o comportamiento de ondas. Esta línea de experimentación resultó muy difícil de llevar a cabo cuando se concibió por primera vez. Sin embargo, ha demostrado ser muy valiosa a lo largo de los años, ya que ha llevado a los investigadores a proporcionar "demostraciones cada vez más sofisticadas de la dualidad onda-partícula de los cuantos individuales". [21] [22] Como explica un experimentador, "el comportamiento de las ondas y las partículas pueden coexistir simultáneamente". [23]
Un experimento reciente de Manning et al. confirma las predicciones estándar de la mecánica cuántica estándar con un átomo de helio. [24]
Se ha propuesto un experimento macroscópico de elección retardada cuántica: el acoplamiento coherente de dos nanotubos de carbono podría controlarse mediante eventos de fonón único amplificados. [25]
Ma, Zeilinger et al. han resumido lo que se puede saber como resultado de los experimentos que han surgido a partir de las propuestas de Wheeler. Dicen:
Nuestro trabajo demuestra y confirma que el hecho de que las correlaciones entre dos fotones entrelazados revelen información de Welcher-Weg ["en qué dirección"] o un patrón de interferencia de un fotón (del sistema) depende de la elección de la medición en el otro fotón (del entorno), incluso cuando todos los eventos en los dos lados que pueden estar separados de manera espacial están separados de manera espacial. El hecho de que sea posible decidir si una característica de onda o de partícula se manifiesta mucho después de la medición, e incluso separada de manera espacial, nos enseña que no deberíamos tener ninguna imagen realista ingenua para interpretar los fenómenos cuánticos. Cualquier explicación de lo que sucede en una observación individual específica de un fotón tiene que tener en cuenta todo el aparato experimental del estado cuántico completo que consiste en ambos fotones, y solo puede tener sentido después de que se haya registrado toda la información sobre las variables complementarias. Nuestros resultados demuestran que el punto de vista de que el fotón del sistema se comporta definitivamente como una onda o definitivamente como una partícula requeriría una comunicación más rápida que la luz. Dado que esto estaría en fuerte tensión con la teoría especial de la relatividad, creemos que tal punto de vista debería abandonarse por completo. [26]
El concepto de experimento de elección retardada comenzó como una serie de experimentos mentales en física cuántica , propuestos por primera vez por Wheeler en 1978. [27] [28] Según el principio de complementariedad , las propiedades "similares a partículas" (que tienen una ubicación exacta) o "similares a ondas" (que tienen frecuencia o amplitud) de un fotón se pueden medir, pero no ambas al mismo tiempo . La característica que se mide depende de si los experimentadores utilizan un dispositivo destinado a observar partículas o a observar ondas. [29] Cuando esta afirmación se aplica de forma muy estricta, se podría argumentar que al determinar el tipo de detector se podría obligar al fotón a manifestarse solo como una partícula o solo como una onda. La detección de un fotón es generalmente un proceso destructivo (consulte la medición cuántica sin demolición para mediciones no destructivas). Por ejemplo, un fotón puede detectarse como consecuencia de ser absorbido por un electrón en un fotomultiplicador que acepta su energía, que luego se utiliza para desencadenar la cascada de eventos que produce un "clic" desde ese dispositivo. En el caso del experimento de la doble rendija , un fotón aparece como un punto muy localizado en el espacio y el tiempo en una pantalla. La acumulación de fotones en la pantalla da una indicación de si el fotón debe haber viajado a través de las rendijas como una onda o podría haber viajado como una partícula. Se dice que el fotón ha viajado como una onda si la acumulación da como resultado el patrón de interferencia típico de las ondas (consulte el Experimento de la doble rendija § Interferencia de partículas individuales para una animación que muestra la acumulación). Sin embargo, si una de las rendijas está cerrada, o se colocan dos polarizadores ortogonales frente a las rendijas (lo que hace que los fotones que pasan a través de diferentes rendijas sean distinguibles), entonces no aparecerá ningún patrón de interferencia y la acumulación puede explicarse como el resultado del fotón viajando como una partícula.