El principio clásico de la acción mínima ahora existe en el reino cuántico

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Los investigadores han demostrado que una ley fundamental de la física se aplica en el ámbito cuántico.

El principio de mínima acción dicta que los objetos (a menos que sean interferidos) siempre se moverán a lo largo de la ruta que requiere la menor cantidad de acción.

No todas las reglas de la física cotidiana se aplican a las partículas cuánticas, pero según las mediciones difíciles de realizar de un nuevo estudio, esta regla ciertamente lo hace.

La distancia más corta entre dos puntos es una línea recta, pero la distancia más corta no siempre significa el menor trabajo. ¿Qué sucede si esa distancia es directamente cuesta arriba o a través de un terreno difícil? Si está buscando hacer la menor cantidad de trabajo, una línea recta puede no ser siempre su mejor opción.

Es posible que los humanos no siempre estén buscando la ruta más fácil. Pero cuando se trata de movimientos naturales en sistemas, una de las leyes fundamentales de la física dice que los objetos siempre viajarán a lo largo de la ruta que requiere la menor acción. En física, la "acción" tiene que ver con cosas como la energía, el impulso, la distancia y el tiempo.

Básicamente, sin intervención externa, los objetos viajan por el camino de menor resistencia y menor cambio. Esto se llama el principio de mínima acción. Sabemos que se aplica en nuestro mundo cotidiano y ahora, gracias a un nuevo estudio, sabemos que también se aplica en el mundo cuántico.

"El último sueño de un físico es escribir los secretos de todo el universo en un pequeño trozo de papel y el principio de mínima acción debe estar en la lista", dijo Shi-Liang, uno de los investigadores del proyecto, en un artículo para Científico nuevo. "Nuestra ambición era 'ver' [el principio] en un experimento cuántico".

Es más fácil decirlo que hacerlo. El equipo de investigación de la Universidad Normal del Sur de China tuvo que lidiar con el hecho de que no solo todo en el reino cuántico es pequeño y difícil de ver, sino que los movimientos de las partículas cuánticas son complicados, realmente complicados. Por un lado, los estados cuánticos cambian cuando se miden. Y por otro lado, solo se pueden mapear usando matemáticas muy complicadas.

Para describir mejor su comportamiento, los científicos usan una combinación de dos cosas: una función de onda y un propagador. Las funciones de onda describen el estado de la partícula y los propagadores describen cómo cambia ese estado en el transcurso del movimiento de una partícula en un sistema. El problema es que las funciones de onda y los propagadores son puramente matemáticos y, si bien son excelentes para describir el comportamiento de las partículas cuánticas, a menudo lo hacen utilizando números imaginarios. Los números imaginarios están bien en matemáticas, pero son, por definición, imposibles de medir.

Para solucionar este problema, el equipo utilizó una técnica que se había establecido unos años antes. En esta técnica, básicamente haces rebotar y filtras partículas de luz cuánticas individuales llamadas fotones a través de un laberinto de espejos, cristales y lentes. Eventualmente, las partes del comportamiento del fotón descritas por los números imaginarios corresponderán a propiedades medibles reales. Las partes que originalmente se describieron mediante números reales normales también se podrán medir, y los investigadores podrán reconstruir las formas de onda y los propagadores a partir de los datos reales medidos.

Una vez que se construyó el laberinto, los investigadores combinaron esa técnica con una nueva que desarrollaron para evitar principalmente el problema del "cambio de estado cuántico cuando se observa". Luego, enviaron fotones individuales a través del laberinto y compararon su comportamiento con el comportamiento predicho por el principio de acción mínima y encontraron que la realidad estaba de acuerdo con la teoría, demostrando que las partículas cuánticas, de hecho, siguen el principio.

"Las mediciones en este experimento son bastante increíbles y no desafían nuestra comprensión actual de la física cuántica", dijo Jonathan Leach, un investigador de ciencia cuántica que no participó en el estudio, en un artículo de New Scientist. "Es hermoso ver esta teoría hecha realidad en un experimento".

Hay un montón de lugares donde el mundo cuántico y el mundo cotidiano no encajan. Es parte de por qué los investigadores aún buscan mejorar el modelo estándar actual de la física. Pero en su deseo de evitar la acción tanto como sea posible, lo cuántico y lo cotidiano están perfectamente sincronizados.

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