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El fenómeno de la física que permite que objetos atraviesen intactos otros objetos
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El fenómeno de la física que permite que objetos atraviesen intactos otros objetos

Avi Loeb nos cuenta en su columna de hoy cómo el efecto túnel cuántico permite que tanto objetos como partículas sean capaces de atravesar todo tipo de barreras sin sufrir un solo rasguño

Foto: Los túneles cuánticos permiten que un coche atraviese un muro sin un rasguño. (Samuele Piccarini - Unsplash)
Los túneles cuánticos permiten que un coche atraviese un muro sin un rasguño. (Samuele Piccarini - Unsplash)

Según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, un coche puede, en principio, atravesar intacto un muro de ladrillos. Pero como el coche es un objeto masivo [masivo en física se refiere a la masa. N.del T.], la probabilidad de que eso ocurra es insignificante. Sin embargo, las partículas elementales tienen una mayor probabilidad de atravesar una barrera mediante el efecto túnel cuántico. Esto se debe a que no están tan localizadas como un objeto masivo, y la función de onda que caracteriza la probabilidad de distribución de su ubicación incierta tiene una cola extendida que podría sobrepasar el obstáculo.

Afortunadamente, la fusión nuclear en el interior de las estrellas es posible gracias al túnel cuántico que atraviesa la barrera de repulsión eléctrica entre los núcleos en estado de fusión. Los elementos pesados, como el oxígeno y el carbono, que son esenciales para la vida, nunca se habrían creado en el interior de las estrellas sin que entrara en juego el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. En resumen, debemos nuestra existencia a la mecánica cuántica.

Pero, ¿podría el efecto túnel tener también importancia cosmológica? En un nuevo artículo, demostré que si la materia oscura estaba formada por partículas ultraligeras, el efecto túnel habría permitido que estas partículas se evaporaran de los pozos de potencial gravitatorio que las unen a las galaxias enanas dentro del halo de la Vía Láctea.

placeholder El centro de la Vía Láctea. (NASA)
El centro de la Vía Láctea. (NASA)

En la física clásica, la gravedad de marea de la Vía Láctea sólo puede romper las partículas de materia oscura si residen en la periferia de estas galaxias satélite. Pero en la mecánica cuántica, incluso las partículas que están ligadas gravitatoriamente al interior de los núcleos de estos satélites, podrían hacer un túnel a través de la barrera gravitatoria que las une. La probabilidad de atravesar el túnel es alta para las partículas de baja masa cuya función de onda se extiende por el principio de incertidumbre a lo largo de una gran distancia.

El paradigma popular de la materia oscura fría predice la divergencia de la densidad de masa a través de las llamadas 'cúspides' en los centros de todas las galaxias, pero las observaciones implican perfiles de densidad más suaves de lo esperado. Para aliviar la tensión entre la teoría y las observaciones, se sugirió que tal vez la materia oscura esté hecha de partículas muy ligeras para las que el principio de incertidumbre está suavizando el perfil de densidad interior del centro de las galaxias.

placeholder La Vía Láctea vista de perfil. (Wikimedia commons)
La Vía Láctea vista de perfil. (Wikimedia commons)

Para que esto sea así, las partículas de materia oscura deben tener una masa 31 órdenes de magnitud menor que la de un protón. Mi nuevo artículo muestra que si las partículas de materia oscura tuvieran esta masa, habrían salido del pozo de potencial de las galaxias enanas dentro del halo de la Vía Láctea.

La mecánica cuántica se construyó para explicar el comportamiento de los sistemas más pequeños que conocemos, como las partículas elementales unidas en átomos. Pero sus principios universales pueden utilizarse para estudiar algunos de los mayores sistemas ligados que conocemos, las galaxias. Esto no es sorprendente, ya que tanto lo pequeño como lo grande obedecen a los mismos principios universales de la física.

placeholder El efecto túnel de la mecánica cuántica permitiría atravesar una montaña.
El efecto túnel de la mecánica cuántica permitiría atravesar una montaña.

En principio, podríamos detectar los túneles cuánticos en nuestra rutina diaria. Si golpeamos suficientes pelotas de tenis con una raqueta, descubriremos que una de ellas atraviesa la raqueta debido al efecto túnel. Pero esto requeriría muchas más pelotas de las que podemos hacer rebotar a lo largo de la edad del universo. Algunos sucesos son simplemente demasiado raros para que podamos presenciarlos. Pero, al igual que ocurre con ganar la lotería, sabemos que en principio podrían ocurrir, como ocurre con la fusión de núcleos o de partículas de materia oscura.

Según la mitología griega, Sísifo fue condenado por los dioses a subir repetidamente una roca por una colina para que volviera a rodar hacia abajo una vez que se acercara a la cima. En su ensayo filosófico titulado ‘El mito de Sísifo’, Albert Camus utilizó esta historia como metáfora de nuestra persistente lucha contra el carácter esencialmente absurdo de la vida. Al permitir el efecto túnel, la mecánica cuántica elimina la necesidad de esta lucha existencial. Afirma que si seguimos esperando con paciencia, la roca acabará por sí sola al otro lado de la colina. Quizá deberíamos relajarnos, disfrutar de la vida al pie de la colina y dejar que la naturaleza haga el resto.

Según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, un coche puede, en principio, atravesar intacto un muro de ladrillos. Pero como el coche es un objeto masivo [masivo en física se refiere a la masa. N.del T.], la probabilidad de que eso ocurra es insignificante. Sin embargo, las partículas elementales tienen una mayor probabilidad de atravesar una barrera mediante el efecto túnel cuántico. Esto se debe a que no están tan localizadas como un objeto masivo, y la función de onda que caracteriza la probabilidad de distribución de su ubicación incierta tiene una cola extendida que podría sobrepasar el obstáculo.

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