"Cuando una partícula se mueve a través del espacio-tiempo, ¿cómo sabemos que es la misma partícula y no alguna excitación que se pasa de un lugar a otro?"
Los virajes Wispy del polvo y del gas calientes brillan intensamente en esta imagen ultravioleta de la nebulosa del lazo del Cygnus, tomada por el explorador de la evolución de la galaxia de la NASA. La nebulosa se encuentra a unos 1.500 años luz de distancia, y es un remanente de la supernova, dejado de una explosión estelar masiva que ocurrió hace 5.000-8.000 años. Imagen cedida: NASA / JPL-Caltech
Por Jillian Scudder, para Forbes Octubre 08 de 2017
Las opiniones expresadas por Jillian Scudder en Forbes son propias.
¡Nosotros no! Esta es una característica realmente interesante de nuestro universo, y proviene de la observación de que todas las partículas subatómicas se describen por unas pocas propiedades clave, pero son de otra manera completamente y determinantemente idénticas. Los electrones parecen ser idénticos a todos los demás electrones. Todos los fotones (si llevan la misma energía dentro de ellos) son idénticos a todos los otros fotones de esa energía. Los protones son idénticos a otros protones, y los neutrones son idénticos a otros neutrones. Todas estas partículas se distinguen entre sí por su masa, carga eléctrica y una propiedad llamada spin. Sin embargo, todos y cada uno de los electrones del Universo tienen exactamente la misma masa, carga eléctrica y espín. No hay otras mediciones que podamos hacer para distinguir un electrón dado de otro.
Podríamos pensar en ello a lo largo de estas líneas: digamos que te doy una pelota de ping pong, y te digo que ésta es especial porque es tuya. Pero entonces lanzamos esa pelota de ping pong en una bolsa llena de otras bolas que se parecen a las tuyas y las mezclamos. Sería muy difícil decir si el que saco de la bolsa siguiente es el que inicialmente le dio a usted u otro. Si esa bola recién dibujada es idéntica en todos los modos mensurables a la original que te dije era tuya, realmente no hay forma de saber si es la que te entregué originalmente o no.
Los fotones tienen un parámetro adicional que puede distinguirlos entre sí y es la cantidad de energía que están llevando. Esta energía corresponde al color de la luz: cuanto más energía, más al azul aparece la luz, y cuanto menos energía, más difícil es el rojo que cae. Puedo distinguir un fotón azul de un rojo que golpea mi cámara debido a esta diferencia en la energía, pero la masa, la carga eléctrica, y el giro de los dos fotones son los mismos.
Si los fotones tienen la misma energía cuando llegan, entonces me he quedado sin formas de distinguirlos.
En esta nueva imagen se destacan las regiones activas de nuestro Sol, que combinan observaciones de varios telescopios. Los rayos X de alta energía de la NASA Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) se muestran en azul; los rayos X de baja energía de la nave japonesa Hinode son verdes; y la luz ultravioleta extrema del Observatorio de la Dinámica Solar de la NASA (SDO) es amarilla y roja. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / GSFC / JAXA
Así que si dejo un montón de fotones en mi bolsa metafórica, y todos salen de nuevo, no hay forma de decir si mi fotón favorito salió primero o por último. La aproximación astrofísica más cercana a esta instalación simple es la luz que golpea la superficie del Sol y luego es absorbida. Ese fotón ahora se está mezclando con un gran número de otros fotones creados en las profundidades del Sol, y no tengo manera de señalar ese fotón particular para distinguirlo de la inundación de otros fotones idénticos que están fluyendo hacia afuera lejos del Sol.
La energía que un fotón lleva no es una propiedad fundamental del fotón en la forma en que su carga eléctrica (que es neutral) y su spin son propiedades fundamentales. Las propiedades fundamentales no se pueden cambiar, no importa lo que suceda a estos fotones en el curso de rebotar alrededor del Universo. Así que la energía de un fotón, no siendo una propiedad fundamental, puede ser cambiada. Y esta energía a menudo se cambia, haciendo que nuestro intento de rastrear los fotones individuales sea aún más difícil. Los fotones que fluyen desde el Sol y sobre la superficie de la Tierra depositan parte de su energía en la materia de la Tierra, calentando el suelo. Ese proceso de calentamiento agota la energía restante en el fotón, y por lo tanto el fotón que se refleja lejos ha cambiado la cantidad de energía que lleva con él. Por lo tanto, si veo fotones fluyendo en una región del espacio donde deben interactuar con otros objetos, las identidades de los fotones individuales son aún más codificadas de lo que hubieran sido mientras fluían libremente por el espacio.
Su idea de las excitaciones de energía que pasan de un lugar a otro es precisamente la correcta para las partículas fundamentales - nada de lo que podamos medir me dirá qué electrón es mi favorito.
Jillian_Scudder es Profesor Asistente en Física y Astronomía. Encuentrame en twitter @Jillian_Scudder.
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