Según el principio de la superposición cuántica, una partícula concreta, por ejemplo un electrón, existe al mismo tiempo en todos sus posibles estados (o configuración de propiedades). Y no es hasta que un científico lo mide en su laboratorio cuando todas esas posibilidades se concretan en un único resultado, que se corresponde solo con una de sus posibles configuraciones. En otras palabras, es como si las partículas pudieran estar en varios lugares a la vez, y solo se materializaran en el lugar exacto en que el investigador las busca.
Esta extraña propiedad, que no se da en nuestra realidad macroscópica y diaria, se ha comprobado miles de veces en experimentos. Y ahora, un equipo de investigadores de las universidades de Viena y Basilea acaba de probar el principio de superposición cuántica a una escala nunca vista hasta ahora, la de una serie de moléculas complejas y compuestas por cerca de dos mil átomos. El impresionante logro, que lleva a la mecánica cuántica a una escala de masas desconocida hasta ahora, acaba de publicarse en la revista Nature Physics.
La ecuación de Schrödinger
El principio de superposición es un sello distintivo de la teoría cuántica que surge de una de sus ecuaciones más fundamentales, la de Schrödinger, que describe a las partículas como funciones de onda que, al igual que las ondas de agua en la superficie de un estanque, pueden interferirse unas a otras. Sin embargo, y a diferencia de las ondas de agua, que reflejan un comportamiento colectivo de muchas moléculas de agua que interactúan, las ondas cuánticas también pueden asociarse con partículas aisladas.
Puede que el ejemplo más elegante de la naturaleza ondulatoria de las partículas sea el experimento de doble rendija, en el que una única partícula pasa simultáneamente por dos rendijas. Este efecto se ha demostrado para fotones, electrones, neutrones, átomos enteros e incluso moléculas, y plantea una pregunta con la que físicos y filósofos han luchado desde los primeros días de la mecánica cuántica: ¿cómo se traducen estos extraños efectos cuánticos al mundo clásico con el que todos estamos familiarizados? O, dicho de otro modo, ¿cómo es posible que las partículas, los "ladrillos" de los que se compone la materia, se comporten de un modo totalmente diferente al de los objetos materiales del mundo que nos es familiar?
Los experimentos de Markus Arndt y su equipo en la Universidad de Viena abordan esta cuestión de la manera más directa posible, es decir, llevando a la superposición cuántica objetos cada vez más masivos. Las moléculas de sus experimentos, en efecto, tenían masas superiores a 25.000 unidades de masa atómica, varias veces más grandes que en experimentos anteriores. Una de las moléculas más grandes enviadas a través del interferómetro, C707H260F908N16S53Zn4, estaba compuesta por más de 40.000 protones, neutrones y electrones diferentes.
Marcel Mayor y su equipo de la Universidad de Basilea, por su parte, utilizaron técnicas especiales para sintetizar moléculas tan masivas que eran lo suficientemente estables como para formar un haz molecular en un vacío casi absoluto. Probar la naturaleza cuántica de estas partículas también requirió un interferómetro de onda de materia con una línea de base de dos metros de largo que fue construida específicamente en Viena.
Una mecánica robusta
Existen varios modelos teóricos que tratan de explicar cómo podría funcionar la transición de un régimen cuántico (el de las partículas) a uno clásico (el de los objetos macroscópicos). Pero todos ellos predicen que la función de onda de una partícula colapsa espontáneamente al llegar a una tasa proporcional a la de su masa al cuadrado. Es ese colapso el que impide que las propiedades cuánticas se manifiesten en objetos pesados, hechos de miles o millones de partículas, que son precisamente los que pueblan el "mundo clásico" que nos rodea.
Pero los investigadores de Viena y Basilea consiguieron mostrar experimentalmente que la superposición (es decir, el "comportamiento" cuántico) se mantiene (aunque por un tiempo limitado) incluso en conjuntos de partículas y de átomos mucho más pesados, lo que obligará a revisar los cálculos en cuanto a la frecuencia y localización del proceso de colapso. Durante los experimentos de este trabajo, los investigadores consiguieron que sus moléculas permanecieran en superposición durante más de 7 milisegundos, tiempo más que suficiente para establecer nuevos límites interferométricos en modelos cuánticos alternativos.
"Nuestros experimentos -dicen los investigadores- muestran que la mecánica cuántica, con toda su rareza, también es increíblemente robusta, y creemos que los experimentos futuros la probarán en una escala aún más masiva". Puede que en el futuro las propiedades cuánticas, como la superposición, puedan "exportarse" a objetos macroscópicos, o incluso a seres vivientes, lo que llevaría a avances inimaginables a día de hoy. Una cosa, sin embargo, parece clara: la línea entre lo cuántico y lo clásico se está volviendo cada vez más borrosa.