La longitud de onda de de-Broglie

Hablemos sobre la longitud de onda de de-Broglie, en concreto de la existencia de tal longitud de onda para objetos macroscópicos. Aviso de entrada que lo que sigue es mi opinión personal. Aunque creo que está bien justificada, debo advertir que con ella me enfrento aparentemente contra miles de referencias en las que se afirma que la longitud de onda de de-Broglie para objetos macroscópicos existe, pero que es muy pequeña e indetectable. Yo dudo muy firmemente de tal cosa, aunque no descarto que haya algo que se me escapa en este asunto.

Leemos aquí y allá sobre la longitud de onda de la onda de probabilidad asociada a una pelota, a una persona, etc. No obstante, para poder afirmar esto hay que partir de la hipótesis que un objeto macroscópico tiene asociado una onda de probabilidad con su longitud de onda determinada. Veamos qué condiciones hay que plantear para aceptar tal situación.

En principio, la longitud de onda de la onda asociada tiene completo sentido para soluciones sinusoidales de la ecuación de Schrödinger. Para objetos más complejos, aunque no necesariamente macroscópicos, van a ocurrir dos cosas que creo ponen en cuestión este cuadro simplificado.

• Primera, si el objeto está en un estado puro, en general van a ser superposición de muchas diferentes longitudes de onda, por lo que hay que ser cuidadosos al hablar de esa única longitud de onda asociada.


• Segunda, el objeto puede estar en un estado mezclado. La ecuación de Schódinger, de la cual se deriva la relación de de-Broglie, describe la evolución temporal de estados puros. Por contra, un objeto macroscópico es un estado mezclado descrito por una matriz de densidad que no va a ser reducible a una función de onda, la cual a su vez tiene una evolución temporal diferente.

En general, los estados de un sistema se pueden clasifican en dos tipos, los estados puros y los estados mezclados. Los estados puros son estados de superposición cuántica y los estados mezclados son estados de desconocimiento. En los estados puros existen varios estados posibles sobre los cuales el sistema está en superposición. Según la cuántica esta superposición no tiene que ver con desconocimiento, sino que es un fenómeno básico de la naturaleza. Veamos especialmente el segundo punto de los de arriba con detalle tras mencionar cómo salvar el primero.

En el primer caso el objeto tiene una onda asociada al cumplir la ecuación de Schrödinger. No obstante, esta es superposición compleja de ondas planas. Para salir al paso podemos usar un elegante truco que se me ha mencionado en este hilo del foro de la web de física. Podemos utilizar el concepto de centro de masas. El valor esperado del momento del centro de masas nos permite definir una única longitud de onda a través de la relación de de-Broglie.

En el segundo caso las cosas cambian.

Los estados mezclados necesitan de una matriz de densidad para ser descritos, la cual a su vez no reducible a una función de onda. Este hecho hace que su evolución temporal no cumpla la ecuación de Schrödinger sino en general . Y de ahí no es extraíble una onda asociada. Al menos a mí no me es conocida una forma de asignar una onda asociada a estados mezclados en general, cosa que veo respaldada por el experimento que voy a mencionar abajo.

El hecho de que un objeto esté en un estado mezclado se puede deber a dos razones: (a) entrelazamiento (b) desconocimiento. Estas son las dos razones que dan lugar a estados mezclados. Dejemos primerdo de lado la opción (b) y concentrémonos primero en la (a).

El entrelazamiento es una propiedad muy especial. Los estados entrelazados son puros, pero los subsistemas dentro de estados entrelazados son mezclados. En parte esto se puede entender en términos de pérdida de información: los estados mezclados suponen una falta de información para el que los considera, mientras que los puros no. Cuando hay entrelazamiento y nos preguntamos sólo sobre un subsistema resulta haber información faltante, ya que existen correlaciones con el otro subsistema que quedan "fuera" del subsistema en consideración. Esta falta de información es natural en subsistemas de sistemas entrelazados, ya que, por definición, los subsistemas de un sistema enrelazado son imposibles de separar debido a una correlación cuántica fuerte entre ellos. Esto lo muestro en mi página sobre la decoherencia, pero lo vamos a ver aquí mencionando un conocido experimento.

Imaginemos una fuente que emite partículas de momento lineal antiparalelo en dos direcciones diferentes y . Digamos que están a la derecha y a la izquierda.



Esto es, si en la derecha se encuentra una partícula en , entonces la partícula correspondiente en la izquierda debe encontrarse en y si en la derecha se encuentra la partícula en , entonces la partícula correspondiente debe encontrarse en . Para tales pares entrelazados se tiene:



Este estado total es un estado puro y entrelazado (esto se ve notando que no es posible factorizar en los estados de las partículas individuales). Para una sola de las partículas - por ejemplo la que se mueve hacia la derecha, que no tiene prima - no obstante se trata de un estado mezclado. Es decir, no existe una sola función de onda para una de las partículas que cumpla la ecuación de Schrödinger. Al ser un estado mezclado los estados básicos cumplen la ecuación de Schrödinger, pero no el estado mezclado resultante de ambos. La ecuación de Schrödinger es válida para el estado total entrelazado que es puro, pero no para un subsistema del estado entrelazado que es mezclado. Para mostrar que se trata de un estado mezclado refiero a mi página sobre la decoherencia o a Wikipedia que también explica con un ejemplo sencillo cómo los subestados de estados entrelazados son todos mezclados.

En definitiva, las partículas generadas así no pueden crear interferencia en un experimento de doble ranura (por ejemplo, todas las lanzadas hacia la derecha). Esto es debido a que su estado no es puro. Este experimento ha sido realizado ya y está descrito por ejemplo en Experiment and the foundations of quantum physics de Anton Zeilinger. Podemos por tanto asignar un momento a tal partícula, el que resulta de calcular el valor esperado más probable del momento de la partícula. Pero no podemos asignar luego una onda asociada al momento con su longitud de onda.

Fijémonos en la diferencia con la partícula libre y no entrelazada. En tal caso también tenemos un valor esperado del momento (está en un autoestado de momento), sin embargo sí decir que a tal momento asociamos una onda plana solución de la ecuación de Schrödinger. Esta onda plana describe completamente y de forma correcta a la partícula libre y no entrelazada. La partícula libre y no entrelazada presenta inteferencia cuando es lanzada contra una doble rendija (cuando son lanzadas muchas idénticas). Por contra, las partículas entrelazadas no la presentan. En mi opinión estamos obligados a concluir que en este segundo caso la asociación con un fenómeno ondulatorio de probabilidades no es correcta.

He mencionado antes que existen dos razones para tener estados mezclados: (a) entrelazamiento (b) desconocimiento. La cuestión ahora qué ocurre con los objetos macroscópicos. En principio yo asumo que ambas razones son relevantes. Por ejemplo, la radiación térmica de cualquier objeto macroscópico debería estar entrelazada con este. Ahora bien, uno puede cuestionarse - al menos yo con mi conocimiento parcial del tema - si para objetos macroscópicos el entrelazamiento es relevante. Quizás tal fenómeno es despreciable.

No obstante, lo que está claro es que un objeto macroscópico es un macroestado, es decir, una clase de equivalencia de muchos microestados. No conocemos las funciones de onda de las partículas y esto es precisamente una propiedad que define a lo que comúnmente denominamos mundo macroscópico. El objeto está en un estado mezclado, descrito por una matriz de densidad, donde aparecen factores de probabilidad debido al desconocimiento, y no por una función de onda.

La cuestión ahora es si el argumento previamente presentado sobre la imposibilidad de asignar una onda asociada a un estado mezclado sigue siendo válido para el caso de estados mezclados por desconocimiento. En el formalismo yo no veo cómo asignar ondas asociadas a estados que no cumplen la ecuación de Schrödinger. La cuestión es si describir a un estado macroscópico como mezclado debido al desconocimiento es sólo una forma de ver las cosas y si de igual forma podría habérselo descrito como un estado puro si se conociese perféctamente. Y con esto entramos ya en un terreno muy difícil: ¿es un macroestado sólo un artilugio de nuestra descripción, parcial, o algo genuínamente real? ¿es la entropía algo real? ¿aumentaría la entropía del universo si conociesemos perféctamente la función de onda de todas sus partículas? etc.

Resumen: un tema para pensar y debatir mucho.