Medición libre de interacción o cómo ver sin mirar

Los seres humanos percibimos nuestro entorno de forma parcial y distorsionada ya que solo disponemos de unos pocos sentidos y con capacidades muy limitadas, pero sabemos que el mundo físico a nivel básico funciona de otra manera, porque nuestra inteligencia ha conseguido desarrollar instrumentos de medida que superan nuestras capacidades y nos indican cómo son realmente las cosas.
 
Hoy empezaremos por un comportamiento increíble en el ámbito de la física cuántica, que permite percibir objetos sin tener ninguna interacción física con ellos. En inglés se conoce como IFM (Interaction Free Measurement).
 
Por un lado es imprescindible saber que la cantidad mínima de luz que se puede medir es el fotón, es la partícula elemental de luz o “cuanto”. Esto implica que no se puede medir un trozo de fotón, o se mide entero o no se mide. 

Por otro lado, hace ya muchos años que los científicos saben que cuando una partícula elemental, como el fotón, se ve forzada a elegir entre varios caminos posibles, toma uno u otro de forma totalmente aleatoria. Si después confluyen de nuevo en un mismo punto, la medición posterior de la partícula nos puede informar de lo que ocurre por TODOS los caminos posibles, parece una locura pero es absolutamente cierto. Aunque la lógica nos dice que el fotón solo puede tomar una única ruta, realmente la denominada 'función de onda' del mismo le 'informa' de alguna manera de todas las demás posibilidades, y éste finalmente cambia su comportamiento en base a esta información. Por tanto, podemos utilizar esta característica para que vaya por un camino pero nos informe sobre posibles obstáculos que haya en otro 'sin que pase por él'.

Utilizando este fantástico comportamiento varios laboratorios están desarrollando un sistema de radiografía de rayos X, en el cual la persona que se estudia se encuentra en uno de dos posibles caminos, y los fotones de rayos X fluyen por el otro, pudiendo obtener imágenes del cuerpo humano con mayor calidad que las radiografías actuales, pero lo más importante es que el cuerpo no es atravesado por los rayos X, evitando de esta forma la exposición a los mismos y a sus efectos nocivos.

Otra aplicación es el estudio de células del ojo o de células vegetales fotosensibles, que por su naturaleza reaccionan a la luz. Hoy en día para estudiarlas tenemos que emitir sobre ellas fotones para poderlas ver, y claro, reaccionan, pero ¿cómo podemos estudiarlas sin emitir luz para conocer su comportamiento en total oscuridad? Pues colocándolas en el camino por el que no pasan los fotones, podemos 'verlas' sin que incida ninguna partícula sobre ellas.

Por ultimo, otro uso que se le puede dar es en barreras de alta seguridad, si un objeto se cruza por el camino por el que no pasan los fotones será detectado inmediatamente, y nadie que quiera entrar en el sistema podrá utilizar ningún medio para observar, desviar o sustituir los fotones, ya que los fotones no pasan por éste sino por el otro camino.

Por utilizar un símil sencillo, es como ir a Madrid por la autovía de Segovia, y fotografiar a los que van por la A-6.

A continuación y solo en la edición digital veremos con algo más de detalle los principios físicos en los que se basa la medición libre de interacción. Si al lector le gusta la ciencia y tiene curiosidad, aunque no tenga conocimientos de física cuántica, a partir de aquí puede comprender en qué se basa su funcionamiento, aunque sin entrar en demasiada profundidad.

Un divisor óptico es un tipo de cristal que tiene la particularidad de que cuando los fotones llegan a él, la mitad de ellos siguen recto y la mitad se desvían, de forma aleatoria. Por lo tanto si lanzamos un solo fotón hacia un divisor como en el esquema 1, el fotón puede tomar uno de los dos caminos con igual probabilidad, seguir recto por A o desviarse por B.
 



 
Si colocásemos un detector de fotones en cada uno de las dos posibles rutas, aproximadamente la mitad de las veces le detectaremos en A y la mitad en B, nunca en las dos, a cuál llegue es algo completamente aleatorio.

Es importante saber, antes de continuar, que el fotón no se parte nunca en dos, ya que SIEMPRE medimos un fotón entero porque es la mínima partícula indivisible de luz, a veces en A, a veces en B, siempre en alguno de los dos y nunca en los dos a la vez.

Ahora quitamos los detectores y colocamos espejos para conseguir que los caminos tengan exactamente la misma longitud y se crucen en otro divisor de haz, y colocamos los detectores después de este segundo divisor.
 


 

La lógica nos dice que, vaya por donde vaya, al llegar al segundo divisor la mitad debería de seguir recto y la otra mitad debería desviarse, como pasa en el primero, de modo que la mitad de las veces deberíamos de detectarlo en D1 y la mitad en D2, ¿No?

Pues no, inquieto lector, y aquí empieza a fallar la intuición, el fotón SIEMPRE saldrá por D1 y NUNCA por D2, debido a un proceso denominado "interferencia de la función de onda” (Esquema 2). ¡El fotón 'sabe' que ambos caminos se juntan!

Lo importante que tenemos que retener ahora es que con esta configuración ningún fotón será detectado en D2, todos acaban en D1.

Si ahora colocamos en el camino B un objeto (Esquema 3), el 50% de las veces el fotón se 'estrellará' con él, y el otro 50% irá por A, y en este caso, al llegar al segundo divisor la mitad de este 50% saldrá por D1 (25%) y la otra mitad por D2 (25%).



 

Y hemos llegado a lo "mágico", porque si disparamos continuamente fotones y detectamos alguno en D2 sabemos con seguridad que hay un objeto en B ¡aunque dicho fotón no ha chocado con él! Recordad que cuando no hay objeto alguno, nunca mediremos un fotón en D2, todos en D1. Esto se denomina "medición libre de interacción", ya que el fotón no interacciona con el objeto pero por su comportamiento nos informa de que el objeto está ahí.
En resumen, si no hay objeto no se mide nada en D2, si se mide algo en D2 es que hay objeto.

Gracias a una característica intrínseca a los fotones denominada polarización y a un efecto acumulativo denominado Zenón, podemos aumentar esa probabilidad de detección en D2 de un 25% hasta casi el 100%, de modo que "obliguemos" a los fotones a ir por A, pero aprovechemos su extraño "conocimiento" de lo que hay en B. De esta forma siempre que salgan por D1 sabremos que no hay obstáculos en el camino y siempre que salgan por D2 es porque si los hay.

Propongo al lector imaginar y comentar otros usos posibles.

Si estás interesado en obtener más información, puedes contactar conmigo en ceceruelo@gmail.com

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