Logran medir el tiempo en un instante cuántico

ABC CIENCIA
GONZALO LÓPEZ SÁNCHEZ


Científicos han logrado medir cuánto dura uno de los procesos físicos más breves: los saltos cuánticos. Hasta ahora nunca se había podido medir con experimentos algo tan sumamente breve.

Cuando un fotón impacta contra un átomo de helio, se produce un salto cuántico y se libera un electron, por lo que el helio queda ionizado. Esto ocurre en unos cuantos attosegundos - TU WIEN

El tiempo es uno de los misterios más profundos que existe en el Universo. Aunque las leyes fundamentales de la Física no distinguen entre pasado y futuro, tal como sostiene Sean Carrol, físico del Instituto Tecnológico de California (Caltech), el tiempo es como una flecha que siempre apunta al futuro, por algún motivo oculto. Según Ludwig Boltzmann la causa podría estar relacionada con el aumento espontáneo del desorden en el Universo, la entropía. Pero a pesar del intento de Boltzmann, aún no sabemos por qué el Big Bang empezó con un estado tan ordenado y compacto de energía (el mínimo desorden posible), y por qué desde entonces todo va hacia delante en el tiempo y nunca hacia atrás.

Si la causa de que el tiempo que vaya hacia delante es esquiva, también lo es la de la duración de un instante. ¿Con cúanta precisión se puede medir? ¿Existe una medida perfecta y objetiva? El límite teórico está en el tiempo de Planck (el tiempo en que un fotón recorre la distancia de Planck, que es a su vez la longitud mínima en la que los efectos cuánticos de la gravedad comienzan a operar), pero en realidad no se sabe: la respuesta a este enigma parece estar entre la Física y la Filosofía. Por suerte, este lunes la Mecánica Cuántica ha permitido medir con precisión uno de los instantes más breves hasta el momento. En concreto, científicos de la Universidad Técnica de Viena, han medido la duración de un salto cuántico, un fenómeno que se pensaba que pasaba instantáneamente hace unos años, pero cuya duración se ha establecido ahora en torno a los cinco attosegundos, (un attosegundo es 10^-18 segundos, mientras que una milésima de segundo es 10^-3 segundos). Sus conclusiones han sido publicadas en «Nature Physics».

«El avance más importante de este estudio es la precisión que ha sido alcanzada y que ha probado ser una excelente confirmación entre los experimentos y la teoría», ha explicado a ABC Renate Pazourek, coautora del estudio e investigadora de la Universidad Tecnológica de Viena. Los experimentos se realizaron en el «Max Planck Institute of Quantum Optics» (en Munich, Alemania), y también participaron investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada, en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

Tal como ha dicho, aunque se sabe que hay procesos físicos aun más efímeros en el campo de la física de alta energía, hasta ahora nunca se había podido medir con experimentos algo tan sumamente breve.

Saltos dentro de átomos

Estos saltos que han medido son cambios de estado muy rápidos que se dan en las partículas cuánticas (como los fotones, las partículas de la luz). Ocurren por ejemplo cuando un átomo absorbe un fotón, y a raíz de eso se producen un cambio: sus electrones saltan hacia un estado de energía superior (es parecido a lo que ocurre cuando la luz calienta un objeto).

En esta ocasión, los científicos analizaron este fenómeno en átomos de helio, unos átomos bastante simples porque solo tienen dos electrones. Más específicamente, vieron qué ocurría cuando estos átomos eran golpeados por un pulso de láser. Cuando eso pasa, el helio pierde uno de sus electrones (se dice que se ioniza), y entonces el átomo comienza a portarse de otro modo (entre otras cosas, adquiere una gran avidez por captar otros electrones).

En este caso, y gracias a pulsos ultracortos de láser, los científicos pudieron medir estructuras temporales casi instantáneas, y así averiguar que este salto de electrones ocurre en cuestión de attosegundos.

«La precisión del experimento es mejor que un attosegundo», ha dicho Pazourek. «Esta es la medida más precisa hasta el momento de un salto cuántico».

Para hacer esta medición, los científicos se aprovecharon de una propiedad de los dos electrones del helio. Ambos están correlacionados y conectados por leyes de la Física Cuántica, por lo que no son partículas independientes. Por eso, cuando el láser impacta contra el átomo y un electrón es «expulsado», el otro electrón gana un poco de energía del láser. «Este se queda en el átomo, pero en un estado superior de energía», dijo Stefan Nagele, en un comunicado.

Gracias a esto, también se ha descubierto algo más. El tiempo que necesitan los saltos cuánticos no siempre es el mismo. Cuando los electrones ganan energía, el proceso es más rápido (dura cinco attosegundos) que cuando la pierden.

En conclusión, los científicos creen que este experimento proporciona nuevas pistas en la física de las escalas de tiempo ultracortas. Unos efectos que hasta hace unas décadas se pensaban que ocurrían en un instante, pero que ahora pueden ser medidos, calculados y controlados. Esto quizás ayudará a entender mejor las leyes básicas de la naturaleza, y quizás abra nuevas posibilidades para manipular la materia en su escala cuántica. Parece que es cuestión de tiempo.

ABC

Johannes Feist habla sobre el «tiempo cuántico»

Otro de los científicos que ha participado en esta investigación es Johannes Feist, investigador en el Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada, en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). A través de correo electrónico, contestó algunas preguntas sobre su área de trabajo (entre otras cosas, la física de los attosegundos):

-¿Qué aplicaciones prácticas tiene poder medir períodos de tiempo tan breves?

Se trata de una herramienta completamente nueva para obtener información sobre el comportamiento de la materia, y en particular, los electrones. Por eso, nos permite abrir una nueva ventana al mundo microscópico. Dicho eso, por ahora es una herramienta «fundamental», pero no tiene un aplicación práctica directamente (cómo casi siempre en la investigación fundamental). 

-¿Cómo definiría el tiempo, a escala de la mecánica cuántica?

En las escalas de tiempo que juegan el papel en este experimento, el tiempo mismo se comporta cómo en el mundo clásico. Aunque es el periodo más corto que se ha medido directamente hasta ahora (hasta donde sé), el problema no es cómo definir el tiempo en si mismo, sino más bien definir lo que llamamos un «salto cuántico», o más precisamente, cómo definir su duración. 

-¿Cuál es el periodo de tiempo más corto posible? (¿Quizás el llamado tiempo de Planck?)

Hasta donde sé, no tenemos una respuesta a esta pregunta. El tiempo de Planck es una escala de tiempo que esta relacionada con los límites de las teorías físicas más fundamentales que tenemos. Pero no se puede decir que ese sea el periodo de tiempo más corto posible. Realmente no se sabe.

Afortunadamente, las escalas de tiempo de los que hablamos en este trabajo (los attosegundos y incluso los zeptosegundos) son muchísimos más largos que el tiempo de Planck, y no hay problemas con el tiempo en si mismo - «solo» en cómo medir un tiempo tan corto, y cómo entender lo que estamos midiendo.