Un nuevo experimento demuestra que la primera ley de Newton no funciona a nivel cuántico

Una de las leyes fundamentales para explicar el movimiento, la primera ley de Newton, no se cumple en el ámbito cuántico, la escala subatómica de las partículas y las subpartículas. Esto se ha demostrado ahora en la práctica por un equipo de investigadores de la Universidad de Kagawa, en Japón, que ha creado un nuevo sistema para estudiar el comportamiento de los fotones, partículas básicas de luz, en su laboratorio.

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Isaac Newton publicó en 1687 tres leyes que se han convertido en nuestra mejor manera de explicar el movimiento de los objetos. La primera de esas leyes asegura que los objetos se mueven naturalmente a velocidades constantes y en línea recta a menos que encuentren una fuerza que los empuje a cambiar de estado.

Esta idea de Newton se ha demostrado cierta para objetos grandes, pero no para los objetos atómicos y subatómicos, un mundo diminuto que se rige por las reglas de la mecánica cuántica. Pero, como apunta New Scientist, determinar con exactitud el movimiento de objetos tan pequeños sería saltarse el principio de incertidumbre de Heisenberg, que dice que la posición y el movimiento lineal del objeto nunca pueden medirse simultáneamente con una precisión perfecta.

Para arrojar luz sobre este problema, los investigadores japoneses han desarrollado una serie de experimentos con el objetivo de estudiar exclusivamente la capacidad de estos objetos para moverse linealmente y demostrar si la primera ley de Newton se cumple también en el mundo cuántico.

Siguiendo la estela de los fotones

Los investigadores han usado un láser para producir un solo fotón, una partícula elemental que comprende ondas de radiación electromagnética —rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio— y que tiene unas características muy particulares: no tiene carga ni masa en reposo y viaja por el espacio a la mayor velocidad posible, la de la luz.

Los investigadores diseñaron un dispositivo con varias lentes y rendijas que hace que cuando el fotón lo atraviesa llegue a un detector con unos valores de momento y posición que están dentro del rango permitido por el principio de incertidumbre.

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Para comprobar si el fotón viaja en línea recta, el equipo aplica una ecuación de la teoría cuántica que imita a la primera ley de Newton y que permite predecir lo que leería en el detector en caso de que la partícula hubiera viajado de manera rectilínea. Cuando los investigadores compararon las predicciones con las mediciones del experimento observaron que los resultados discrepan en un 45%. "Lo que medimos no podía explicarse suponiendo que las partículas cuánticas se mueven en línea recta", afirma para el medio especializado, Takafumi Ono, el investigador que lidera al equipo de científicos que ha realizado el estudio publicado recientemente en la revista Physical Review A.

Una prueba que sigue dejando dudas

Los experimentos del equipo de Ono están basados en el trabajo teórico de Holger Hofmann, investigador de la Universidad de Hiroshima, también en Japón. Hofmann, sin embargo, no acaba de fiarse de los resultados ya que, según él, las leyes cuánticas normalmente sólo proporcionan información estadística sobre la probabilidad de que ocurra algo que afecte a muchas partículas, pero no cuando se trata de una sola.

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"Es difícil saber cómo se rompe esta suposición de línea recta. Siempre funciona para los promedios, así que ¿cómo no va a funcionar para una partícula individual? Normalmente ni siquiera tenemos datos para ese caso", afirma Hofmann en declaraciones para New Scientist.

El investigador cree, sin embargo, que una solución para el estudio de los fotones sería considerarlos no como un todo, sino como una partícula que se divide o difumina a medida que se desplaza. Pero esto supondría una labor experimental mucho más compleja por las peculiaridades de los fotones que los separan de las otras partículas cuánticas que existen en la materia.