miércoles, 2 de julio de 2014

A New Physics Theory of Life !!!!!!!!!!! or ???????

PHYSICS

A New Physics Theory of Life

Jeremy England
Katherine Taylor for Quanta Magazine
Jeremy England, a 31-year-old physicist at MIT, thinks he has found the underlying physics driving the origin and evolution of life.
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Why does life exist?
Popular hypotheses credit a primordial soup, a bolt of lightning and a colossal stroke of luck. But if a provocative new theory is correct, luck may have little to do with it. Instead, according to the physicist proposing the idea, the origin and subsequent evolution of life follow from the fundamental laws of nature and “should be as unsurprising as rocks rolling downhill.”
From the standpoint of physics, there is one essential difference between living things and inanimate clumps of carbon atoms: The former tend to be much better at capturing energy from their environment and dissipating that energy as heat. Jeremy England, a 31-year-old assistant professor at the Massachusetts Institute of Technology, has derived a mathematical formula that he believes explains this capacity. The formula, based on established physics, indicates that when a group of atoms is driven by an external source of energy (like the sun or chemical fuel) and surrounded by a heat bath (like the ocean or atmosphere), it will often gradually restructure itself in order to dissipate increasingly more energy. This could mean that under certain conditions, matter inexorably acquires the key physical attribute associated with life.
Plagiomnium affine
Kristian Peters
Cells from the moss Plagiomnium affine with visible chloroplasts, organelles that conduct photosynthesis by capturing sunlight.
“You start with a random clump of atoms, and if you shine light on it for long enough, it should not be so surprising that you get a plant,” England said.
England’s theory is meant to underlie, rather than replace, Darwin’s theory of evolution by natural selection, which provides a powerful description of life at the level of genes and populations. “I am certainly not saying that Darwinian ideas are wrong,” he explained. “On the contrary, I am just saying that from the perspective of the physics, you might call Darwinian evolution a special case of a more general phenomenon.”
His idea, detailed in a recent paper and further elaborated in a talk he is delivering at universities around the world, has sparked controversy among his colleagues, who see it as either tenuous or a potential breakthrough, or both.
England has taken “a very brave and very important step,” said Alexander Grosberg, a professor of physics at New York University who has followed England’s work since its early stages. The “big hope” is that he has identified the underlying physical principle driving the origin and evolution of life, Grosberg said.
“Jeremy is just about the brightest young scientist I ever came across,” said Attila Szabo, a biophysicist in the Laboratory of Chemical Physics at the National Institutes of Health who corresponded with England about his theory after meeting him at a conference. “I was struck by the originality of the ideas.”
Others, such as Eugene Shakhnovich, a professor of chemistry, chemical biology and biophysics at Harvard University, are not convinced. “Jeremy’s ideas are interesting and potentially promising, but at this point are extremely speculative, especially as applied to life phenomena,” Shakhnovich said.
England’s theoretical results are generally considered valid. It is his interpretation — that his formula represents the driving force behind a class of phenomena in nature that includes life — that remains unproven. But already, there are ideas about how to test that interpretation in the lab.
“He’s trying something radically different,” said Mara Prentiss, a professor of physics at Harvard who is contemplating such an experiment after learning about England’s work. “As an organizing lens, I think he has a fabulous idea. Right or wrong, it’s going to be very much worth the investigation.”
A computer simulation by Jeremy England and colleagues shows a system of particles confined inside a viscous fluid in which the turquoise particles are driven by an oscillating force. Over time (from top to bottom), the force triggers the formation of more bonds among the particles.
Courtesy of Jeremy England
A computer simulation by Jeremy England and colleagues shows a system of particles confined inside a viscous fluid in which the turquoise particles are driven by an oscillating force. Over time (from top to bottom), the force triggers the formation of more bonds among the particles.
At the heart of England’s idea is the second law of thermodynamics, also known as the law of increasing entropy or the “arrow of time.” Hot things cool down, gas diffuses through air, eggs scramble but never spontaneously unscramble; in short, energy tends to disperse or spread out as time progresses. Entropy is a measure of this tendency, quantifying how dispersed the energy is among the particles in a system, and how diffuse those particles are throughout space. It increases as a simple matter of probability: There are more ways for energy to be spread out than for it to be concentrated. Thus, as particles in a system move around and interact, they will, through sheer chance, tend to adopt configurations in which the energy is spread out. Eventually, the system arrives at a state of maximum entropy called “thermodynamic equilibrium,” in which energy is uniformly distributed. A cup of coffee and the room it sits in become the same temperature, for example. As long as the cup and the room are left alone, this process is irreversible. The coffee never spontaneously heats up again because the odds are overwhelmingly stacked against so much of the room’s energy randomly concentrating in its atoms.
Although entropy must increase over time in an isolated or “closed” system, an “open” system can keep its entropy low — that is, divide energy unevenly among its atoms — by greatly increasing the entropy of its surroundings. In his influential 1944 monograph “What Is Life?” the eminent quantum physicist Erwin Schrödinger argued that this is what living things must do. A plant, for example, absorbs extremely energetic sunlight, uses it to build sugars, and ejects infrared light, a much less concentrated form of energy. The overall entropy of the universe increases during photosynthesis as the sunlight dissipates, even as the plant prevents itself from decaying by maintaining an orderly internal structure.
Life does not violate the second law of thermodynamics, but until recently, physicists were unable to use thermodynamics to explain why it should arise in the first place. In Schrödinger’s day, they could solve the equations of thermodynamics only for closed systems in equilibrium. In the 1960s, the Belgian physicist Ilya Prigogine made progress on predicting the behavior of open systems weakly driven by external energy sources (for which he won the 1977 Nobel Prize in chemistry). But the behavior of systems that are far from equilibrium, which are connected to the outside environment and strongly driven by external sources of energy, could not be predicted.
This situation changed in the late 1990s, due primarily to the work of Chris Jarzynski, now at the University of Maryland, and Gavin Crooks, now at Lawrence Berkeley National Laboratory. Jarzynski and Crooks showed that the entropy produced by a thermodynamic process, such as the cooling of a cup of coffee, corresponds to a simple ratio: the probability that the atoms will undergo that process divided by their probability of undergoing the reverse process (that is, spontaneously interacting in such a way that the coffee warms up). As entropy production increases, so does this ratio: A system’s behavior becomes more and more “irreversible.” The simple yet rigorous formula could in principle be applied to any thermodynamic process, no matter how fast or far from equilibrium. “Our understanding of far-from-equilibrium statistical mechanics greatly improved,” Grosberg said. England, who is trained in both biochemistry and physics, started his own lab at MIT two years ago and decided to apply the new knowledge of statistical physics to biology.
Using Jarzynski and Crooks’ formulation, he derived a generalization of the second law of thermodynamics that holds for systems of particles with certain characteristics: The systems are strongly driven by an external energy source such as an electromagnetic wave, and they can dump heat into a surrounding bath. This class of systems includes all living things. England then determined how such systems tend to evolve over time as they increase their irreversibility. “We can show very simply from the formula that the more likely evolutionary outcomes are going to be the ones that absorbed and dissipated more energy from the environment’s external drives on the way to getting there,” he said. The finding makes intuitive sense: Particles tend to dissipate more energy when they resonate with a driving force, or move in the direction it is pushing them, and they are more likely to move in that direction than any other at any given moment.
“This means clumps of atoms surrounded by a bath at some temperature, like the atmosphere or the ocean, should tend over time to arrange themselves to resonate better and better with the sources of mechanical, electromagnetic or chemical work in their environments,” England explained.
Self Replicating Microstructures
Courtesy of Michael Brenner/Proceedings of the National Academy of Sciences
Self-Replicating Sphere Clusters: According to new research at Harvard, coating the surfaces of microspheres can cause them to spontaneously assemble into a chosen structure, such as a polytetrahedron (red), which then triggers nearby spheres into forming an identical structure.
Self-replication (or reproduction, in biological terms), the process that drives the evolution of life on Earth, is one such mechanism by which a system might dissipate an increasing amount of energy over time. As England put it, “A great way of dissipating more is to make more copies of yourself.” In a September paperin the Journal of Chemical Physics, he reported the theoretical minimum amount of dissipation that can occur during the self-replication of RNA molecules and bacterial cells, and showed that it is very close to the actual amounts these systems dissipate when replicating. He also showed that RNA, the nucleic acid that many scientists believe served as the precursor to DNA-based life, is a particularly cheap building material. Once RNA arose, he argues, its “Darwinian takeover” was perhaps not surprising.
The chemistry of the primordial soup, random mutations, geography, catastrophic events and countless other factors have contributed to the fine details of Earth’s diverse flora and fauna. But according to England’s theory, the underlying principle driving the whole process is dissipation-driven adaptation of matter.
This principle would apply to inanimate matter as well. “It is very tempting to speculate about what phenomena in nature we can now fit under this big tent of dissipation-driven adaptive organization,” England said. “Many examples could just be right under our nose, but because we haven’t been looking for them we haven’t noticed them.”
Scientists have already observed self-replication in nonliving systems. According to new research led by Philip Marcus of the University of California, Berkeley, andreported in Physical Review Letters in August, vortices in turbulent fluids spontaneously replicate themselves by drawing energy from shear in the surrounding fluid. And in a paper appearing online this week in Proceedings of the National Academy of Sciences, Michael Brenner, a professor of applied mathematics and physics at Harvard, and his collaborators present theoretical models and simulations of microstructures that self-replicate. These clusters of specially coated microspheres dissipate energy by roping nearby spheres into forming identical clusters. “This connects very much to what Jeremy is saying,” Brenner said.
Besides self-replication, greater structural organization is another means by which strongly driven systems ramp up their ability to dissipate energy. A plant, for example, is much better at capturing and routing solar energy through itself than an unstructured heap of carbon atoms. Thus, England argues that under certain conditions, matter will spontaneously self-organize. This tendency could account for the internal order of living things and of many inanimate structures as well. “Snowflakes, sand dunes and turbulent vortices all have in common that they are strikingly patterned structures that emerge in many-particle systems driven by some dissipative process,” he said. Condensation, wind and viscous drag are the relevant processes in these particular cases.
“He is making me think that the distinction between living and nonliving matter is not sharp,” said Carl Franck, a biological physicist at Cornell University, in an email. “I’m particularly impressed by this notion when one considers systems as small as chemical circuits involving a few biomolecules.”
Snowflake
Wilson Bentley
If a new theory is correct, the same physics it identifies as responsible for the origin of living things could explain the formation of many other patterned structures in nature. Snowflakes, sand dunes and self-replicating vortices in the protoplanetary disk may all be examples of dissipation-driven adaptation.
England’s bold idea will likely face close scrutiny in the coming years. He is currently running computer simulations to test his theory that systems of particles adapt their structures to become better at dissipating energy. The next step will be to run experiments on living systems.
Prentiss, who runs an experimental biophysics lab at Harvard, says England’s theory could be tested by comparing cells with different mutations and looking for a correlation between the amount of energy the cells dissipate and their replication rates. “One has to be careful because any mutation might do many things,” she said. “But if one kept doing many of these experiments on different systems and if [dissipation and replication success] are indeed correlated, that would suggest this is the correct organizing principle.”
Brenner said he hopes to connect England’s theory to his own microsphere constructions and determine whether the theory correctly predicts which self-replication and self-assembly processes can occur — “a fundamental question in science,” he said.
Having an overarching principle of life and evolution would give researchers a broader perspective on the emergence of structure and function in living things, many of the researchers said. “Natural selection doesn’t explain certain characteristics,” said Ard Louis, a biophysicist at Oxford University, in an email. These characteristics include a heritable change to gene expression called methylation, increases in complexity in the absence of natural selection, and certain molecular changes Louis has recently studied.
If England’s approach stands up to more testing, it could further liberate biologists from seeking a Darwinian explanation for every adaptation and allow them to think more generally in terms of dissipation-driven organization. They might find, for example, that “the reason that an organism shows characteristic X rather than Y may not be because X is more fit than Y, but because physical constraints make it easier for X to evolve than for Y to evolve,” Louis said.
“People often get stuck in thinking about individual problems,” Prentiss said.  Whether or not England’s ideas turn out to be exactly right, she said, “thinking more broadly is where many scientific breakthroughs are made.”
Emily Singer contributed reporting. This article was reprinted onScientificAmerican.com.
Sourcehttp://simonsfoundation.- Quanta Magazine. 

MECANICA CUANTICA: VERDAD O FALSEDAD...????



Posted: 02 Jul 2014 01:06 AM PDT
Referencia: Quanta Magazines.org .
por Natalie Wolchover, 30 junio 2014

Durante casi un siglo, la "realidad" ha sido un concepto turbio. Las leyes de la física cuántica parecen sugerir que las partículas pasan gran parte de su tiempo en un estado fantasmal, carentes incluso de propiedades básicas tales como una ubicación definida y, en su lugar, parecen existir en todas partes y en ninguna a la vez. Sólo cuando se mide una partícula, de repente, se materializa, dando la impresión de que elige su posición como si jugara a los dados.

Se ha encontrado que una gota que rebota en la superficie de un líquido exhibe muchas propiedades similares a la cuántica, incluyendo la interferencia de doble rendija, tunelación y cuantización de la energía. John Bush
Esta idea de que la naturaleza es intrínsecamente probabilística, es decir, que las partículas no tienen propiedades sólidas, sólo probabilidades, hasta que se observan, viene directamente implícitas en las ecuaciones estándar de la mecánica cuántica. Pero ahora, una serie de sorprendentes experimentos con fluidos ha reavivado el viejo escepticismo sobre esa visión del mundo. Estos extraños resultados están alimentando el interés por una versión casi olvidada de la mecánica cuántica y que nunca renunció a la idea de una sola y concreta realidad.

Los experimentos implican a una gota de aceite que rebota a lo largo de la superficie de un líquido. La gota chapotea suavemente en el líquido con cada rebote. Al mismo tiempo, las ondas de los últimos rebotes afectan su curso. La interacción de la gota con sus propias ondas, las cuales forman lo que se conocen como ondas piloto, hace que se exhiban conductas que anteriormente se consideraban propias de las partículas elementales, incluyendo comportamientos vistos como evidentes de que estas partículas se propagan a través del espacio como ondas, sin ningún lugar específico, hasta que se miden.

A escala cuántica, las partículas parecen hacer cosas que los objetos a escala humana no hacen. Pueden pasar a través de barreras, de forma espontánea surgen o se aniquilan, y ocupan distintos niveles de energía. Este nuevo cuerpo de investigación revela que, las gotas de aceite, cuando son guiadas por las ondas piloto, también exhiben estas características similares a las cuánticas.

Para algunos investigadores, los experimentos sugieren que los objetos cuánticos son tan definidos como las gotas, y que también se guían por las ondas piloto, en este caso, ondulaciones semejantes a fluidos en el espacio y tiempo. Estos argumentos han inyectado nueva vida a la teoría determinista (en oposición a probabilista) del mundo microscópico, que fue la primera propuesta, y tras ser rechazada, dio lugar al nacimiento de la mecánica cuántica.

"Se trata del sistema clásico que muestra ese comportamiento, y que antes la gente pensaba que era exclusivo del reino cuántico, y podemos decir por qué", dijo John Bush, profesor de matemáticas aplicadas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que ha llevado a cabo varios experimentos recientes con el rebote de gotas. "Cuantas más cosas entendemos y podemos ofrecer una justificación física racional, más difícil será defender la ‘perspectiva mágica’ de la mecánica cuántica.

Medidas mágicas

La visión ortodoxa de la mecánica cuántica, conocida como la "interpretación de Copenhague", después de que el físico danés Niels Bohr, uno de sus arquitectos, sostuviera que las partículas representaran todas las realidades posibles al mismo tiempo. Cada partícula está representada por una "onda de probabilidad" ponderando estas diversas posibilidades, y la onda colapsa a un estado definido sólo cuando la partícula es medida. Las ecuaciones de la mecánica cuántica no abordan el cómo las propiedades de una partícula se solidifican en el momento de la medición, o cómo, en tales momentos, la realidad se forma. Pero los cálculos funcionan. Como dijo Seth Lloyd, un físico cuántico del MIT, "La mecánica cuántica es todo lo contrario a la intuición y no hay otra que aguantarse."

Un clásico experimento de la mecánica cuántica que parece demostrar la naturaleza probabilística de la realidad implica a un haz de partículas (como electrones) propulsados uno a uno hacia un par de rendijas en una pantalla. Cuando nadie hace un seguimiento de la trayectoria de cada electrón, parecen pasar por las dos ranuras al mismo tiempo. A la larga, el haz de electrones crea un patrón de interferencia en forma de onda de las rayas brillantes y oscuros al otro lado de la pantalla. Pero cuando un detector se coloca en frente de una de las rendijas, su medición hace que las partículas pierden la omnipresencia de su forma de onda, colapsan en estados definidos, y viajan a través de una rendija o de la otra. El patrón de interferencia se desvanece. El gran físico del siglo XX, Richard Feynman, dijo que esteexperimento de la doble rendija "está en el corazón de la mecánica cuántica" y "es imposible, absolutamente imposible, explicarlo de manera clásica."

Algunos físicos ahora no están de acuerdo. "La mecánica cuántica es un gran éxito; nadie está diciendo que esté mal", dijo Paul Milewski, profesor de matemáticas de la Universidad de Bath, en Inglaterra, que ha ideado modelos computacionales sobre ladinámica del rebote de gotas. "Lo que creemos es que, de hecho, puede haber una razón más fundamental para que la mecánica cuántica haga lo que parece que hace."

Montando en las ondas

La idea de que las ondas piloto podrían explicar las peculiaridades de las partículas se remonta a los primeros días de la mecánica cuántica. El físico francés, Louis de Broglie, presentó la primera versión de la teoría de las ondas piloto en 1927 en la Conferencia de Solvay en Bruselas, una conocida reunión de los fundadores de este campo. Como Broglie explicó ese día a Bohr, Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y dos docenas más de otros celebérrimos físicos, la teoría de la onda piloto realizó  las mismas predicciones que la formulación probabilística de la mecánica cuántica (la cual no fue referenciada como la interpretación de "Copenhague" hasta la década de 1950), pero sin el colapso misteriosol o fantasmal.

La versión probabilística, defendida por Bohr, implica una sola ecuación que representa localizaciones probables e improbables de las partículas como los picos y valles de una onda. Bohr interpretó esta ecuación de la onda de probabilidad como la definición completa de una partícula. Pero Broglie instó a sus colegas a usar dos ecuaciones, una que describe una onda real, física, y la otra que ate la trayectoria de una partícula real y concreta con las variables de la ecuación de onda, tal como si la partícula interactuante fuera impulsada por la onda en lugar de estar definida por ella misma.

Por ejemplo, consideremos el experimento de la doble rendija. En la imagen de onda piloto de Broglie, cada electrón pasa a través de una sola de las dos rendijas, pero está influenciada por una onda piloto que se divide y viaja a través de las dos rendijas. Al igual que los restos flotantes de una corriente, la partícula es conducida hacia los sitios donde los dos frentes de onda cooperan, y no a donde se cancelan.

Broglie no podía predecir el lugar exacto donde una partícula individual terminaría, igual que la versión de Bohr de estos eventos, la teoría de la onda piloto sólo predice la distribución estadística de los resultados, o sea, los patrones de rayas claras y oscuras, pero los dos hombres interpretaron este defecto de forma diferente . Bohr afirmó que las partículas no tienen trayectorias definidas y Broglie argumentó que sí la tienen, pero que no podemos medir la posición inicial de cada partícula suficientemente bien como para deducir su trayectoria exacta.

En principio, sin embargo, la teoría de la onda piloto es determinista: El futuro evoluciona dinámicamente a partir del pasado, por lo que, si se conociera el estado exacto de todas las partículas del universo en un momento dado, podría calcularse sus estados en cualquier momento del futuro.

En la conferencia de Solvay, Einstein se opuso a un universo probabilístico, bromeando, "Dios no juega a los dados", pero parecía ambivalente respecto a la alternativa de Broglie. Bohr le dijo a Einstein que "deje de decirle a Dios lo que debe hacer", y (por razones que aún siguen siendo objeto de controversia) ganó ese día. En 1932, cuando el matemático húngaro-estadounidense, John von Neumann, afirmó haber demostrado que la ecuación de onda probabilística de la mecánica cuántica no podía tener "variables ocultas" (es decir, componentes perdidos, como la partícula de Broglie con su trayectoria bien definida) , la teoría de la onda piloto fue entonces tan mal considerada que la mayoría de los físicos creyeron en la prueba de von Neumann sin tan siquiera leer una traducción.

En la quinta Conferencia Solvay de 1927 se reunieron los fundadores de la mecánica cuántica, Louis de Broglie (fila del medio, tercero por la derecha) sostenía una formulación determinista de la mecánica cuántica llamada teoría de la onda piloto. Pero la versión probabilísta de la teoría, defendida por Niels Bohr (fila del medio, a la derecha) ganó ese día. Wikipedia.
Más de 30 años pasarían antes de que la prueba de von Neumann demostrara ser falsa, pero para entonces el daño ya estaba hecho. El físico David Bohm resucitó la teoría de la onda piloto en una forma modificada en 1952, con el apoyo de Einstein, y dejó claro que funcionaba, pero que nunca se hizo popular. (La teoría también se conoce como la teoría de Broglie-Bohm, o la mecánica de Bohm.)

Más tarde, el físico norirlandés, John Stewart de Bell, llegó a demostrar un teorema fundamental que muchos físicos de hoy malinterpretan como representaciones de imposibles variables ocultas. Pero Bell apoyó la teoría de la onda piloto. Él fue quien señaló los fallos de la prueba original de von Neumann. Y en 1986, escribió que la teoría de la onda piloto "me parece tan natural y simple, para resolver el dilema de onda-partícula de una forma tan clara y común, que es un gran misterio para mí que sea tan generalmente ignorada."

El abandono continúa. Un siglo más adelante, la formulación probabilísta estándar de la mecánica cuántica se ha combinado con la teoría de la relatividad especial de Einstein y se ha desarrollado en el Modelo Estándar, una descripción precisa y detallada de la mayoría de las partículas y fuerzas del universo. Aclimatarse a la rareza de la mecánica cuántica se ha convertido en rito de iniciación de los físicos. La anterior alternativa determinista no se menciona en la mayoría de los libros de texto; la mayoría de la gente de este campo no han oído hablar de ella. Sheldon Goldstein, profesor de matemáticas, física y filosofía en la Universidad de Rutgers, y partidario de la teoría de la onda piloto, culpa de esa "ridícula" negligencia de la teoría a "décadas de adoctrinamiento". En esta etapa, Goldstein y otros varios señalaron que, los investigadores arriesgan sus carreras al cuestionar la ortodoxia cuántica.

Una gota cuántica

Ahora, por fin, la teoría de la onda piloto puede estar experimentando una reaparición menor, por lo menos, entre la dinámica de fluidos. "Me hubiera gustado que la gente que han estado desarrollando la mecánica cuántica a principios del siglo pasado hubiesen tenido acceso a estos experimentos", dijo Milewski. "Porque entonces toda la historia de la mecánica cuántica habría sido diferente."

Los experimentos comenzaron hace una década, cuando Yves Couder y sus colegas, de la Universidad Paris Diderot, descubrieron que haciendo vibrar un baño de aceite de silicona arriba y abajo, en una frecuencia particular, se podía inducir a una gota para que rebotara a lo largo de la superficie. La trayectoria de la gota, descubrieron, se guiaba por los contornos inclinados de la superficie generada del líquido de los propios rebotes de la gota, una mutua interacción onda-partícula análoga al concepto de onda piloto de Broglie.

En un experimento pionero, los investigadores de París usaron esta disposición de la gota para demostrar la interferencia de simple y doble rendija. Descubrieron que cuando una gota rebota hacia un par de aberturas en una barrera como de una presa, pasa solamente a través una u otra ranura, mientras que la onda piloto pasa a través de ambas. Los repetidos ensayos muestran que los frentes de onda superpuestos de la onda piloto dirigen las gotas a ciertos lugares y nunca a las localizaciones del medio —una aparente replicación del patrón de interferencia del experimento de la doble rendija cuántica que Feynman describió como imposible—. Y tal como se midieron las trayectorias de las partículas parecen "derrumbarser" sus realidades simultáneas, perturbando la onda piloto del experimento del rebote de gotas se destruye el patrón de interferencia.

Las gotas pueden también parecer un "túnel" a través de barreras, orbitando entre sí en "estados enlazados" estables, y exhiben propiedades análogas al espín cuántico y la atracción electromagnética. Cuando estás confinadas a unas áreas circulares, llamadas corrales, forman anillos concéntricos análogos a las ondas estacionarias generadas por los electrones en corrales cuánticos. Incluso se aniquilan con las burbujas del subsuelo, un efecto que recuerda a la mutua destrucción de partículas de materia y antimateria.

Vídeo -- The pilot-wave dynamics of walking droplets. (Daniel Harris y John Bush)


En cada prueba, la gota se encaminaba hacia una trayectora caótica que, con el tiempo, acumulaba la misma distribución estadística en el sistema de fluidos como la que se espera de las partículas en la escala cuántica. Pero, en lugar de dar como resultado la indefinición o la falta de realidad, estos efectos cuánticos como se conducen, según los investigadores, por una "memoria de trayectoria". Cada rebote de la gota deja una marca en forma de ondas, y éstas, de forma caótica pero determinista, influyen en los futuros rebotes de la gota, conduciendo a resultados estadísticos similares a los cuánticos. Cuanta más memoria de trayectoria tenga una trayectoria exhiba un fluido, es decir, cuantas menos de sus ondas se disipan, más nítidas y parecidas a la cuántica se vuelven las estadísticas. "La memoria genera caos, y nosotros necesitamos conseguir las probabilidades correctas", explicó Couder. "Vemos claramente la memoria de trayectoria en nuestro sistema. Esto no significa necesariamente que exista en los objetos cuánticos, sólo sugiere que sería posible."

Las estadísticas cuánticas son evidentes incluso cuando las gotas son sometidas a fuerzas externas. En una prueba reciente, Couder y sus colegas colocaban un imán en el centro de su baño de aceite y observaron una gota de ferrofluido magnético. Al igual que un electrón, que ocupa unos niveles de energía fijos alrededor de un núcleo, los rebotes de la gota adoptaron una órbita concreta estable alrededor del imán, cada uno caracterizado por un determinado nivel de energía y su momento angular. La "cuantificación" de estas propiedades, en paquetes separados se suele entender como un rasgo definitorio del dominio cuántico.

Si el espacio y el tiempo se comportan como un superfluido, o un fluido que no experimenta la disipación en absoluto, entonces la memoria de trayectoria, posiblemente, podría dar lugar al extraño fenómeno cuántico de entrelazamiento —lo que Einstein denominó “la acción fantasmal a distancia"—. Cuando dos partículas se entrelazan, la medición del estado de una afecta al instante a la otra. El entrelazamiento se mantiene incluso si las dos partículas están a años luz de distancia.

En la mecánica cuántica estándar, el efecto se racionaliza con el colapso instantáneo del conjunto de ondas de probabilidad de las partículas. Pero en la versión de eventos de las ondas piloto, una interacción entre dos partículas de un universo superfluido las coloca sobre unas trayectorias que se quedan para siempre correlacionadas, porque la interacción afecta de manera permanente a los contornos del superfluido. "A medida que las partículas se mueven a su través, sienten el campo de onda generado por ellas y por todas las demás partículas en el pasado", explicó Bush. En otras palabras, la ubicuidad de la onda piloto "proporciona un mecanismo que está considerando estas correlaciones no locales". Sin embargo, la prueba experimental de entrelazamiento de la gota sigue siendo un objetivo lejano.

Realidades subatómicas

Muchos de los expertos en dinámica de fluidos, involucrados o familiarizados con las nuevas investigaciones, han llegado a la convicción de que hay una explicación líquida clásica de la mecánica cuántica. "Creo que todo ello es demasiado para ser una coincidencia", dijo Bush, que dirigió en junio un taller sobre el tema, en Río de Janeiro, y está escribiendo un estudio de revisión sobre los experimentos para la Annual Review of Fluid.

Los físicos cuánticos tienden a considerar como menos significativos estos hallazgos. Después de todo, la investigación de fluidos no proporciona una evidencia directa de que las ondas piloto propulsan a las partículas a escala cuántica. Y la sorprendente analogía entre los electrones y las gotas de aceite no produce nuevos y mejores cálculos. "Personalmente, creo que tiene poco que ver con la mecánica cuántica", dijo Gerard 't Hooft, un físico de partículas, ganador del Premio Nobel, de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos. Él cree que la teoría cuántica está incompleta, pero no le gusta la teoría de las ondas piloto.

Muchos físicos cuánticos cuestionan el valor de la reconstrucción del exitoso Modelo Estándar a partir de cero. "Creo que los experimentos son muy inteligentes y que expande la visión", señalaba Frank Wilczek, profesor de física del MIT y laureado Nobel, "aunque te llevan a pocos pasos de lo que ha de ser un camino muy largo, que va desde una hipotética teoría subyacente clásica hasta la utilización con éxito de la mecánica cuántica como la conocemos."

"Esto es realmente una manifestación visible y muy llamativa del fenómeno de las ondas piloto", apuntó Lloyd. "Es alucinante, pero no va a sustituir a la mecánica cuántica a corto plazo."

En su actual estado, aún inmaduro, la formulación de la onda piloto de la mecánica cuántica sólo describe simples  interacciones entre la materia y los campos electromagnéticos, según David Wallace, un filósofo de la física en la Universidad de Oxford, Inglaterra, y no puede tan siguiera capturar la física de una bombilla ordinaria. "Por sí misma no es capaz de representar mucho a la física", añadió. "En mi opinión, este es el más grave problema de esta teoría, aun así, y para ser justos, continúa siendo un área de investigación activa."

La teoría de la onda piloto tiene la reputación de ser más engorrosa que la mecánica cuántica estándar. Algunos investigadores han dicho que la teoría tiene problemas para lidiar con partículas idénticas, y que resulta difícil de manejar cuando se describen las interacciones multipartículas. También afirmaron que se combina menos elegantemente con la relatividad especial. No obstante, otros especialistas en mecánica cuántica no estaban de acuerdo con estas declaraciones o dicen que el enfoque está, simplemente, muy poco investigado. Puede que sólo sea una cuestión de esfuerzo el refundir las predicciones de la mecánica cuántica al lenguaje de la onda piloto, comentaba Anthony Leggett, profesor de física en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, y también premio Nobel. "Que uno piense que es digno de una gran cantidad de tiempo y esfuerzo es una cuestión de gusto personal", agregó, "personalmente, no lo creo."

Por otro lado, como Bohm argumentaba en su estudio de 1952, una formulación alternativa de la mecánica cuántica podría hacer las mismas predicciones que la versión estándar a escala cuántica, pero difiere en lo que respecta a las escalas más pequeñas de la naturaleza. En la búsqueda de una teoría unificada de la física en todas las escalas, "fácilmente podríamos mantenernos en el camino equivocado durante mucho tiempo por ceñirnos tan sólo a una habitual interpretación de la teoría cuántica", escribió Bohm.

Algunos entusiastas creen que el enfoque de fluido podría de hecho ser la clave para resolver el conflicto de hace tiempo entre la mecánica cuántica y la teoría de einsteiniana de la gravedad, que chocan en las escalas infinitesimales.

"Existe la posibilidad de poder buscar una teoría unificada del Modelo Estándar y la gravedad en términos de un subyacente sustrato superfluido de la realidad", reseñó Ross Anderson, un científico informático y matemático de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, y coautor de un reciente artículo sobre la analogía fluido y cuántica. En el futuro, Anderson y sus colaboradores planean estudiar el comportamiento de los "rotones" (excitaciones similares a las partículas) en el helio superfluido, como el análogo más cercano posible de este "modelo superfluido de la realidad."

Pero en la actualidad, estas conexiones con la gravedad cuántica son todavía especulativas, y para los jóvenes investigadores, ideas arriesgadas. Bush, Couder y los demás estudiosos de la dinámica de fluidos, esperan que el número creciente de sus demostraciones de los fenómenos cuánticos crearán una imagen determinista y fluida de la mecánica cuántica cada vez más convincente.

"Para los físicos es algo muy controvertido, y la gente es muy evasiva en esta etapa", añadió Bush. "Estamos avanzando, y el tiempo lo dirá. La verdad, al final, saldrá triunfante."
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- Artículo Original: "Have We Been Interpreting Quantum Mechanics Wrong This Whole Time?
- Imagen.1. Se ha encontrado que una gota que rebota en la superficie de un líquido exhibe muchas propiedades similares a la cuántica, incluyendo la interferencia de doble rendija, tunelación y cuantización de la energía. John Bush
- Imagen.2. Dos patrones de difracción por una onda plana. Wikipedia.
- Imagen.3. En la quinta Conferencia Solvay de 1927 se reunieron los fundadores de la mecánica cuántica, Louis de Broglie (fila del medio, tercero por la derecha) sostenía una formulación determinista de la mecánica cuántica llamada teoría de la onda piloto. Pero la versión probabilísta de la teoría, defendida por Niels Bohr (fila del medio, a la derecha) ganó ese día. Wikipedia.
- Imagen.4. La gota rebota a lo largo de la superficie de un líquido hacia un par de aberturas en una barrera, que pasa al azar a través de una abertura o por la otra mientras que su "onda piloto", u ondulaciones en la superficie del líquido, pasa a través de ambas. Después de muchas repeticiones, aparece un patrón de interferencia similar al cuántico, en la distribución de trayectorias de la gota. 
- Imagen.5. Como una gota se mueve en una trayectoria caótica alrededor de la superficie del líquido, acumulando gradualmente estadísticas similares a las cuánticas. Harris et al., PRL (2013) 
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FUENTE: PEDRO DONAIRE- BITNAVEGANTES.-