Científicos evaden el principio de incertidumbre de Heinsenberg

El equipo trabaja en la instalación de su nueva técnica.
ICFO

 

Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas, en España, anunciaron haber descubierto una nueva técnica que podría mejorar drásticamente la sensibilidad de instrumentos como los generadores de imágenes de las resonancias magnéticas (MRIs) y los relojes atómicos. El estudio, que fue publicado en la revista Nature, reporta una técnica que evade casi por completo el principio de incertidumbre del célebre físico alemán Werner Heisenberg.

La nueva técnica, según describen los científicos, ocultaría cierta incertidumbre cuántica en características no alcanzadas por su novedoso instrumento, permitiendo a los científicos hacer —por otro lado— mediciones de altísimos niveles de precisión.

Los sensores de última generación, como los equipos de resonancia magnética (IRM) y los relojes atómicos, ya son capaces de hacer medidas de gran precisión. Los IRM se usan para tomar imágenes de tejidos muy profundos dentro del cuerpo humano, los que nos dicen si hay presencia o no de una enfermedad, mientras que los relojes atómicos son medidores del tiempo con extrema exactitud usados por los GPS, la sincronización de internet, o incluso para estudios interferométricos en radioastronomía. Pero ¿qué tiene que ver un instrumento con el otro? Pareciera que nada. No obstante, ambos se basan en la precisa medición del espín del átomo, aquel movimiento giroscópico de los electrones y los núcleos. En los IRM, por ejemplo, el ángulo de orientación del espín nos puede indicar dónde se encuentra un átomo en el cuerpo, mientras que la cantidad de espín (amplitud), es usada para distinguir distintos tipos de tejido. Usando estas dos medidas, el MRI es capaz de hacer un mapa en 3D de los tejidos del cuerpo.

Por muchos años, se creyó que la sensibilidad de este tipo de mediciones estaba limitada por el principio de Heinsenberg, quien afirmaba que medir con precisión una propiedad de un átomo fija un límite a la precisión de medición que se puede obtener en otra de sus propiedades. Por ejemplo, si medíamos la posición de un electrón con alta precisión, el principio de Heisenberg limitaba la exactitud de su momento. Tomando en cuenta que la mayoría de instrumentos atómicos miden dos propiedades (amplitud y ángulo del espín) el principio parecía indicar que todas las mediciones contendrían siempre  cierta incertidumbre cuántica.

Esta condición aceptada por mucho tiempo, sin embargo, ha sido rebatida por un equipo del ya citado instituto, dirigidos por el profesor Morgan W. Mitchell.

 El truco consistió en darse cuenta que el espín tiene no uno pero dos “ángulos de orientación”: uno para las direcciones norte, sur, este y oeste, y otro, muy aparte, que describe la elevación por encima del horizonte. El equipo ICFO mostró cómo trasladar casi toda la incertidumbre al ángulo no medido por el instrumento. De esta forma, pudieron obedecer la exigencia del principio de incertidumbre de Heinsenberg, pero ocultaron la incertidumbre donde “no hacía daño”. Como resultado, pudieron obtener una medida ángulo-amplitud con precisiones sin precedentes, evitando ser afectados por la incertidumbre cuántica.

“El principio de incertidumbre es muy frustrante: queremos saberlo todo, peor Heisenberg nos dice que no podemos. Encontramos, en este caso, una forma de hallar todo lo que nos importa”, explicó el profesor Mitchell, quien comparó sus hallazgos a con una letra de las canciones de los Rolling Stones: “No siempre puedes conseguir lo que quieres/ pero si lo intentas a veces quizás encontrarás/ obtienes lo que necesitas”.

En su trabajo, los investigadores enfriaron una nube de átomos a unos microgrados Kelvin, emplearon un campo magnético para generar movimiento en los espines —el mismo proceso que en la IRM— e iluminaron la nube con un láser para medir la orientación de los espines atómicos. Seguidamente, observaron que tanto como el ángulo del espín y la incertidumbre podían ser continuamente monitoreados con sensibilidad más allá de los límites, aun obedeciendo al principio de Heinsenberg.

Para lograr sus conclusiones, los científicos empezaron desarrollando un modelo teórico para prever si lo que querían lograr era posible. Después, tomando en cuenta que no toda la tecnología que iban a usar siquiera existía, tuvieron que  diseñarla: por ejemplo, desarrollaron un detector en particular muy rápido y que producía muy bajo ruido. Tuvieron también que esforzarse por mejorar la “preparación” de los átomos y encontrar el modo más eficiente para usar todo el rango dinámico del detector. Los científicos describieron este titánico esfuerzo como “una batalla contra el lado oscuro de la cuántica”.

El trabajo es de primera importancia: la nueva técnica puede llevar a la ciencia a obtener métodos de medición de espines atómicos aún más precisos, abriendo nuevos caminos a instrumentos muchísimo más sensibles, y permitiendo, al mismo tiempo la detección de señales, como las ondas gravitacionales o la actividad cerebral, con una precisión nunca antes vista.

Heisenberg, quien murió en 1976, ganó el Premio Nobel de Física en 1932 por “la creación de la mecánica cuántica, cuya aplicación ha conducido, entre otras cosas, al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno. El principio de incertidumbre marcó no solo la física, sino también la filosofía del siglo XXI.

 

 

Daniel Meza
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