Un desconcertante escenario cuántico parece violar la ley de la física

Recuerda que aquí estamos tratando con la función de onda del fotón. Dado que el rebote no es una medida, la función de onda no se contrae. En cambio, se divide en dos: la mayor parte de la función de onda permanece en la caja, pero la pequeña pieza que oscila rápidamente cerca de donde se coloca el espejo sale de la caja y se dirige al detector.

Dado que esta pieza del superoscilador se ha sustraído del resto de la función de onda, ahora es idéntica a un fotón con una energía mucho mayor. Cuando esta pieza golpea el detector, toda la función de onda colapsa. Cuando esto sucede, existe una posibilidad pequeña pero real de que el detector detecte un fotón de alta energía. Es como un rayo gamma que sale de una caja con una luz roja. "Es impactante", dijo Popescu.

Un circuito de medición inteligente de alguna manera le da más energía a un fotón de lo que permitiría cualquiera de los componentes de su función de onda. ¿Dé dónde viene la energía?

Ambigüedades legales

La matemática Amy Notter demostró en 1915 que las cantidades conservadas, como la energía y el momento, se derivan de las simetrías de la naturaleza. La energía se conserva debido a la "simetría de la traslación del tiempo": la regla de que las ecuaciones que gobiernan las partículas siguen siendo las mismas de un momento a otro. (La energía es la cantidad estable que representa esta uniformidad). En particular, la energía no se conserva en situaciones en las que la gravedad distorsiona el tejido del espacio-tiempo, ya que esta distorsión cambia la física de diferentes lugares y tiempos, ni se conserva en escalas cosmológicas. , donde la expansión del espacio introduce una dependencia del tiempo. Pero para algo como la luz en una caja, los físicos están de acuerdo: la simetría de la traducción del tiempo (y por lo tanto la conservación de la energía) debe tener.

Sin embargo, aplicar el teorema de Noether a las ecuaciones de la mecánica cuántica se vuelve complicado.

En la mecánica clásica, siempre puedes verificar la energía inicial del sistema, dejar que se desarrolle, luego verificar la energía final y encontrarás que la energía permanece constante. Pero medir la energía de un sistema cuántico inevitablemente lo perturba, reduciendo su función de onda, impidiendo su desarrollo, como sería de otro modo. Así que la única forma de comprobar si la energía se conserva en la evolución de un sistema cuántico es hacerlo estadísticamente: Experimentar muchas veces, comprobando la energía inicial la mitad del tiempo y la energía final la otra mitad La distribución estadística de energías antes y después del sistema la evolución debe coincidir.

Popescu dice que el experimento mental, aunque confuso, es compatible con esta versión de conservación de energía. Debido a que la región superoscilatoria es una parte tan pequeña de la función de onda del fotón, la probabilidad de que el fotón se encuentre allí es muy pequeña; solo en casos raros el fotón "impactante" saldrá de la caja. En el transcurso de muchas pruebas, el presupuesto de energía se mantendrá equilibrado. "No estamos diciendo que el ahorro de energía en... la versión estadística esté mal", dijo. "Pero todo lo que decimos es que este no es el final de la historia".

El problema es que el experimento mental sugiere que la conservación de la energía puede verse alterada en casos individuales, algo a lo que se oponen muchos físicos. david griffithsprofesor honorario en Reed College en Oregón y autor de libros de texto estándar sobre mecánica cuántica, argumenta que la energía debe almacenarse en cada experimento (incluso esto suele ser difícil de verificar).

La gasa está de acuerdo. Según ella, si tu experimento parece violar esta ley de conservación, no estás buscando lo suficiente. El exceso de energía debe venir de alguna parte. "Hay varias formas en que esta supuesta violación podría generar ahorros de energía", dijo, "una de las cuales no tiene en cuenta completamente el medio ambiente".

Popescu y sus colegas creen haber explicado el medio ambiente; sospecharon que el fotón recibió su energía adicional del espejo, pero calcularon que la energía del espejo no cambió.

La búsqueda continúa para resolver la paradoja obvia y, con ella, una mejor comprensión de la teoría cuántica. Tales acertijos han sido fructíferos para los físicos en el pasado. Como dijo una vez John Wheeler: "¡No hay progreso sin una paradoja!"

"Si ignora tales preguntas", dijo Popescu, "nunca entenderá realmente qué es la mecánica cuántica".

una historia original reimpreso con permiso de Revista Cuanta, edición editorial independiente de Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al abarcar los desarrollos científicos y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.

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