Una guía para observadores curiosos de la mecánica cuántica, pt. 2: El crisol de partículas

¡Bienvenido de nuevo a nuestro segundo paseo guiado por los bosques de la mecánica cuántica! La semana pasada, vimos cómo las partículas se mueven como ondas y golpean como partículas y como una sola partícula toma múltiples caminos. Si bien es sorprendente, esta es un área bien explorada de la mecánica cuántica: se encuentra en el sendero natural pavimentado alrededor del centro de visitantes.

Esta semana me gustaría salir del camino pavimentado y adentrarme un poco más en el bosque para hablar sobre cómo las partículas se mezclan y combinan mientras están en movimiento. Este es un tema que suele estar reservado a los licenciados en física; rara vez se comenta en artículos populares. Pero el resultado es comprender cómo funciona el lidar de precisión y ver uno de los grandes inventos que sale del laboratorio, el peine óptico. Así que ensuciemos un poco nuestras botas (cuánticas): valdrá la pena.

Dos partículas

Comencemos con una pregunta: si las partículas se mueven como ondas, ¿qué sucede cuando superpongo los caminos de dos partículas? O dicho de otra manera, ¿las ondas de las partículas solo interactúan entre ellas o se mezclan?

Podemos probarlo en el laboratorio modificando la configuración que usamos la semana pasada. En lugar de dividir la luz de un láser en dos trayectorias, podemos usar dos láseres separados para crear la luz que ingresa al espejo semi-plateado final.

Tenemos que tener cuidado con los láseres que utilizamos y la calidad de su puntero láser ya no está a la altura. Si mide cuidadosamente la luz de un láser normal, el color de la luz y la fase de la onda (cuando ocurren los picos de onda) están alrededor. Este color perdido es indistinguible de nuestros ojos, el láser todavía se ve rojo, pero resulta que el tono exacto del rojo varía. Este es un problema que el dinero y la tecnología moderna pueden resolver: si desembolsamos suficiente dinero, podemos comprar láseres de precisión en modo bloqueado. Gracias a estos, podemos tener dos láseres que emiten ambos fotones del mismo color con crestas de onda alineadas en el tiempo.

Cuando combinamos la luz de dos láseres de alta calidad, vemos exactamente el mismo patrón de rayas que vimos antes. ¡Las ondas de partículas producidas por dos láseres diferentes están interactuando!

Entonces, ¿qué sucede si volvemos al límite del fotón único? Podemos bajar la intensidad de los dos láseres para que veamos aparecer los fotones uno a uno en la pantalla, como bolitas de pintura. Si la velocidad es lo suficientemente baja, solo habrá un fotón a la vez entre los láseres y la pantalla. Cuando ejecutemos este experimento, veremos que los fotones llegan a la pantalla uno por uno; pero cuando miramos la pintura de puntillismo acumulado, veremos las mismas rayas que vimos la semana pasada. Nuevamente, estamos viendo una interferencia de una sola partícula.

Resulta que todos los experimentos que realizamos anteriormente dan exactamente la misma respuesta. A la naturaleza no le importa si una partícula está interactuando consigo misma o si dos partículas interactúan entre sí: una onda es una onda y las ondas de partículas actúan como cualquier otra onda.

Pero ahora que tenemos dos láseres de precisión, tenemos varios experimentos nuevos que podemos probar.

Dos colores

Primero, intentemos interferir con fotones de diferentes colores. Tomemos el color de uno de los láseres y hagámoslo un poco más azul (longitud de onda más corta). Cuando miramos la pantalla volvemos a ver rayas, pero ahora las rayas caminan lentamente hacia los lados. Tanto el aspecto de las rayas como su movimiento son interesantes.

Primero, el hecho de que veamos rayas indica que las partículas de diferente energía todavía están interactuando.

La segunda observación es que el patrón de franjas ahora depende del tiempo; las rayas caminan de lado. A medida que aumentamos la diferencia de color entre los láseres, aumenta la velocidad de las rayas. Los músicos de la audiencia ya reconocerán el patrón de ritmo que estamos viendo, pero, antes de llegar a la explicación, mejoremos nuestra configuración experimental.

Si nos contentamos con usar rayos láser estrechos, podemos usar un prisma para combinar los flujos de luz. Un prisma se usa generalmente para dividir un solo haz de luz y enviar cada color en una dirección diferente, pero podemos usarlo al revés y con una alineación cuidadosa usar el prisma para combinar la luz de dos láseres en un solo haz.

Si miramos la intensidad del rayo láser combinado, veremos la intensidad del «latido» de la luz. Si bien la luz de cada láser era estable, cuando se combinan sus rayos de colores ligeramente diferentes, el rayo resultante oscila de brillante a débil. Los músicos reconocerán esto por la afinación de sus instrumentos. Cuando el sonido de un diapasón se combina con el sonido de una cuerda ligeramente desafinada, se pueden escuchar «golpes» mientras el sonido oscila entre alto y bajo. La velocidad de batido es la diferencia de frecuencias y la cuerda se sintoniza ajustando la velocidad de batido a cero (diferencia de frecuencia cero). Aquí vemos lo mismo con la luz: la frecuencia de pulsación es la diferencia de color entre los láseres.

Si bien esto tiene sentido cuando se piensa en cuerdas de instrumentos, es bastante sorprendente cuando se piensa en fotones. Comenzamos con dos corrientes de luz constantes, pero ahora la luz se agrupa en momentos en que es brillante y en momentos en que es tenue. A medida que aumenta la diferencia entre los colores de los láseres (se desafinan), más rápida se vuelve la pulsación.

Paintball a lo largo del tiempo

Entonces, ¿qué pasa si volvemos a rechazar los láseres realmente bajos? Una vez más, vemos fotones golpeando nuestro detector uno a la vez como pequeñas bolas de pintura. Pero si miramos de cerca el momento en que llegan los fotones, vemos que no es accidental: llegan a tiempo con los latidos. No importa qué tan bajo bajemos los láseres, los fotones pueden ser tan raros que solo se muestra uno de cada 100 latidos, pero siempre llegarán a tiempo con los latidos.

Este modelo es aún más interesante cuando comparamos el tiempo de llegada de los fotones en este experimento con las rayas que vimos con nuestro puntero láser la semana pasada. Una forma de entender lo que está sucediendo en el experimento de dos rendijas es imaginar la naturaleza ondulatoria de la mecánica cuántica dirigiendo dónde los fotones pueden aterrizar uno al lado del otro: las bolas de pintura pueden golpear en regiones brillantes y no oscuras. Vemos un patrón similar en la llegada de paintball en el haz de dos tonos, pero ahora las bolas de pintura se dirigen hacia adelante y hacia atrás en el tiempo y solo pueden golpear al compás de los golpes. Los latidos se pueden considerar como rayas a lo largo del tiempo.