El gato cuántico de Cheshire

“¡Bien! Con frecuencia he visto un gato sin sonrisa, ¡pero una sonrisa sin gato! ¡Es la cosa más rara que he visto en mi vida!”, se dijo Alicia en el País de las Maravillas. La sorpresa de Alicia se debe a que, en su experiencia, y en la cotidiana, un objeto y sus propiedades no existen de forma independiente: la redondez y el color rojo de una canica son elementos inseparables de la canica. El Gato de Cheshire, con el que Alicia ha estado conversando, desaparece dejando en el aire su sonrisa.

¿Puede un objeto separarse de sus propiedades? La sal separada de lo salado, la piedra separada de la dureza, la escultura separada de su belleza… Ni siquiera tiene mucho sentido al decirlo. Pero ocurre en el inframundo cuántico de las partículas. En un experimento, un haz de neutrones corre por una vía diferente a la vía por donde va una de sus características, el momento magnético.

Contra la sensata opinión de Aristóteles, que creíamos eternizada en el acero de su Metafísica, las leyes de Wonderland, el mundo subatómico, permiten que una misma partícula presente diversos estados físicos al mismo tiempo. Ya habíamos tenido un vislumbre de eso al resolver el debate acerca de la naturaleza de la luz: ondas, como es fácil comprobar con una simple hoja y dos perforaciones con alfiler, o partículas, como es necesario para que viaje por el espacio entre las estrellas y nosotros… sin recurrir a la trampa del éter. ¿Onda o partícula? Ambas, fue la respuesta de Niels Bohr, porque está en superposición de estados: onda-partícula. Mientras no preguntemos… O puede, la misma partícula, ir por dos vías de manera simultánea porque está en superposición de estados: corre por el pasillo A y corre por el B.

El gato cuántico de Cheshire

En los primeros años de la cuántica Erwin Schrödinger ideó un ejemplo para explicarnos eso de la superposición de estados. Se ha popularizado con el nombre de El gato de Schrödinger: si meto un gato a una caja con un mecanismo accionado por un efecto cuántico que rompa o no un frasco de veneno, y cierro la caja, el gato entra en superposición de estados y está vivo-muerto. Por supuesto no es así, pero da una idea del mundo de Alicia cuando bebe del frasco que la hace pequeña. Nos hacemos tamaño átomo.

Ese famoso gato se vuelve trivial cuando entramos al mundo del gato de Alicia que desaparece pero deja su sonrisa flotando. O la partícula que se despoja de sus accidentes o, peor, los accidentes que se despojan de la partícula en que se expresan y corren el Ser y sus accidentes por diversos caminos.

Hace dos años el journal Nature Communications “publicó los resultados del primer experimento tipo Gato de Cheshire al separar un neutrón de su campo magnético”. Fue trabajo conjunto de la Universidad Chapman en Orange, California, y la Universidad Viena de Tecnología.

“Las extrañas leyes de la mecánica cuántica (la teoría que gobierna el mundo microscópico de los átomos y, por cierto, la más exitosa teoría en la historia) nos dicen que en verdad es posible separar una partícula de sus propiedades”: un fenómeno asombrosamente análogo al capítulo de Lewis Carroll acerca del Gato de Cheshire.

La idea fue primero planteada por Yakir Aharonov, en la Universidad Chapman y publicada por Jeff Tollaksen, colaborador de Aharonov, en 2001. El equipo de Aharonov incluía a Sandu Popescu (¿será rumano?) en la Universidad de Bristol, Inglaterra, y Daniel Rorhlich, en la Ben Gurión de Israel. Su tarea fue desarrollar las bases teóricas del Gato de Cheshire.

Nature Communications publicó el primer Cheshire Cat experiment. Estuvo a cargo de un equipo de físicos experimentales conducido por Yuji Hasegawa en la Universidad Viena de Tecnología. En ese equipo trabajó el ya mencionado Tollaksen. Efectuaron un experimento con neutrones que (juro que eso dice) “viajaban a lo largo de una vía distinta a la que seguía una de sus propiedades: el momento magnético”. Como hay explicables dudas, va sin traducir: “They conducted an experiment involving neutrons which travel along a different path than one of their properties”.

Debemos volver a la Metafísica de Aristóteles, al Ser y a las Categorías en el libro quinto. “Cuando se dice que una cosa es esto o aquello, significa que esto o aquello es el accidente de esta cosa. Cuando decimos que un hombre es músico, el músico no es hombre, sino porque el hombre es accidentalmente músico”. Si digo que Sócrates es músico mi afirmación corresponde con la cosa y sus accidentes, pues en efecto Sócrates es músico. Pongámoslo más elemental: cuando digo la canica es roja o azul, el color es el accidente porque podría ser uno u otro. Luego entra Aristóteles en la potencia y el acto… El niño es niño en acto y es hombre en potencia porque todavía no es pero puede llegar a ser…  y aplicada esta observación a una propiedad del neutrón despojada del neutrón, comienza a parecer que no es mucha ayuda. Y menos si tratamos de llegar por el camino de sus diez categorías.

La sonrisa sin gato

Según las leyes de la física cuántica, las partículas subatómicas pueden estar en diferentes estados físicos al mismo tiempo. Es lo que se conoce como “superposición de estados” desde tiempos de Bohr. Un ejemplo: “Un haz de neutrones se divide en dos haces empleando un cristal de silicio, luego puede mostrarse que un neutrón individual no debe decidir, al cruzar el cristal, por cuál de las dos vías seguir, en vez de eso puede viajar a lo largo de ambas vías al mismo tiempo en superposición cuántica de estados”. Va por A y va por B…

De esta peculiaridad ya han surgido técnicas experimentales: una es la interferometría de neutrones, dice Yuji Hasegawa: “Fue inventada aquí, en nuestro instituto en los años 1970, y resultó ser la herramienta perfecta para investigar mecánica cuántica fundamental”.

Para ver si con esa técnica podían separarse de una partícula sus propiedades, un amplio equipo internacional desarrolló un experimento cuántico totalmente nuevo.

“El experimento se llevó a cabo en la fuente de neutrones del Instituto Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, Suiza.

Los neutrones son partículas subatómicas sin carga eléctrica, pero pueden transportar un momento magnético. “Tienen una dirección magnética, el spin del neutrón, que puede influirse por campos magnéticos externos”. El neutrón no es partícula elemental, está integrado por tres quarks, como el protón, pero en diverso reparto de colores.

Primero, un haz de neutrones se divide en dos rayos empleando un interferómetro de neutrones (con base en el mencionado cristal de silicio que parte el haz en dos). “Luego los spines de los dos haces se desvían en direcciones distintas: el haz superior tiene spin paralelo a la trayectoria de los neutrones; el spin del haz inferior apunta en dirección opuesta. Luego que los dos rayos se recombinan se eligen los neutrones con spin paralelo a su dirección de movimiento. Los otros se ignoran”.

Estos neutrones con spin paralelo a su dirección de movimiento, debieron seguir la vía superior: única en la que los neutrones tienen ese spin. Eso se puede mostrar en el experimento. “Si el haz inferior se envía a través de un filtro que absorba algunos de los neutrones, el número de neutrones con spin paralelo a sus trayectorias permanece el mismo. Si el haz superior se envía a través del filtro, el número de esos neutrones se reduce”.

Dicho muy en breve por Tobias Denkmayr: “El sistema se comporta como si las partículas estuvieran espacialmente separadas de sus propiedades”. Dice “espacialmente separadas”, con a.

Un resultado contraintuitivo, como tantos en cuántica, al que ya se le buscan aplicaciones. Pero son lo de menos cuando enfrentamos dos paquetes llegados por mensajería: uno trae una escultura y el otro trae la belleza de la escultura… Hum… 

Ya que más da si de ahí tenemos mejores iPods.