El mundo cuántico es extraño, fascinante y a veces incomprensible. Cuando tratamos de entenderlo con los ojos de un observador clásico, nos encontramos con una serie de sorpresas ¿Cómo es posible que un sistema microscópico, como un átomo de dos niveles, pueda decirnos algo sobre el comportamiento macroscópico del calor? Acompáñame a descubrir cómo el trabajo de M. Wanic y su equipo nos lleva a explorar esta pregunta utilizando una red de fibras ópticas multimodo.
Imagínate lo siguiente: tienes un átomo atrapado, un diminuto sistema con solo dos estados posibles, como un interruptor que puede estar en “encendido” o “apagado”. Este átomo está rodeado por una red de fibras ópticas, que no son más que canales por los cuales viajan fotones, esas pequeñas partículas de luz. Lo que nos interesa aquí es cómo este átomo, interactuando con los fotones en la fibra, puede ser un testigo cuántico del comportamiento térmico de todo el sistema.
La pregunta que el equipo de Wanic se hizo es fascinante: ¿podemos inferir cómo se distribuye la energía en el sistema completo solo observando el comportamiento del átomo de dos niveles? En otras palabras, ¿puede un sistema aparentemente tan simple como un átomo decirnos algo sobre cómo se comporta el calor en este sistema cuántico de fibras ópticas? Y la respuesta, como descubriremos, es un rotundo sí.
¿Qué es la termalización y por qué nos importa?
La termalización es el proceso por el cual un sistema alcanza un equilibrio térmico. En términos clásicos, es lo que ocurre cuando dejas un café caliente en la mesa: eventualmente, la temperatura del café y la del ambiente se igualan. Pero en el mundo cuántico, donde las partículas no siguen trayectorias definidas y donde las interacciones son probabilísticas, este proceso no es tan sencillo.
En sistemas cuánticos complejos, como el de las fibras ópticas multimodo que estudiamos aquí, las partículas no solo intercambian energía de manera caótica, sino que además tienen lo que llamamos reactivaciones cuánticas, pequeñas fluctuaciones que hacen que el sistema vuelva a un estado anterior, como si reviviera una y otra vez. En estos casos, el sistema parece no alcanzar nunca un estado de equilibrio térmico.
Wanic y su equipo estudiaron cómo este fenómeno afecta a nuestro átomo de dos niveles. Lo que encontraron es que, después de promediar sobre los modos ópticos del sistema, las reactivaciones cuánticas desaparecen, lo que indica que el sistema, finalmente, alcanza un estado de equilibrio. Es como si el átomo de dos niveles nos dijera: “sí, el sistema ha llegado a un equilibrio; ya no hay fluctuaciones que lo saquen de ahí”.
El sistema de fibras ópticas está lleno de fotones. Cada uno de estos fotones interactúa con el átomo de dos niveles y le transfiere parte de su energía. La cantidad de fotones que interactúan con el átomo es clave para entender cómo se comporta la temperatura del sistema. A medida que aumentamos el número de fotones, la temperatura del átomo de dos niveles también sube. Es como cuando encendemos más luces en una habitación; la cantidad de energía (luz) aumenta y, con ella, el calor que percibimos.
Lo fascinante del estudio es que, en el límite de temperaturas extremadamente altas de los fotones, el átomo de dos niveles se comporta de una manera muy especial: su temperatura tiende al infinito y las probabilidades de que se encuentre en cualquiera de sus dos niveles son exactamente iguales. Esto significa que, a esas altísimas temperaturas, la distinción entre los dos niveles del átomo se borra: es como si el sistema se "desintegrara" en términos de diferencias energéticas.
Este fenómeno, aunque profundamente físico, nos invita a reflexionar sobre conceptos mucho más amplios. La termalización cuántica, este proceso por el cual el átomo y el sistema alcanzan un equilibrio, nos recuerda las ideas filosóficas clásicas sobre la armonía y el orden en el universo. Si nos remontamos a los filósofos presocráticos como Heráclito, quien afirmaba que "todo fluye", podemos ver una conexión: en el mundo cuántico, la energía fluye y cambia constantemente, pero al final, siempre tiende a encontrar un equilibrio. Del mismo modo, Parménides decía que el cambio es solo una ilusión, que la realidad última es inmóvil y eterna. En este sistema cuántico, aunque las partículas fluctúan y reviven constantemente, el equilibrio final parece inevitable, como una especie de regreso a esa "unidad" primordial.
Pero hay otra interpretación que nos ofrece la filosofía más contemporánea. Xavier Zubiri, por ejemplo, sostenía que la realidad no es algo estático, sino algo que se va haciendo, algo "en acto". La termalización, desde esta perspectiva, es ese proceso dinámico mediante el cual un sistema complejo encuentra su identidad en el equilibrio. Incluso en un mundo tan aparentemente caótico como el cuántico, la búsqueda del equilibrio sigue siendo una fuerza primordial.
Ahora, hagamos una pequeña pausa y pensemos en cómo estas ideas resuenan con nuestra vida diaria. Estamos rodeados de sistemas que, de una u otra forma, buscan un equilibrio: desde nuestros cuerpos que mantienen una temperatura constante, hasta nuestras sociedades, que tratan de encontrar estabilidad en medio de las tensiones. Quizás, al igual que en el mundo cuántico, este equilibrio no siempre es sencillo ni inmediato. A veces, las fluctuaciones son inevitables.
Tomemos, por ejemplo, un fenómeno cultural tan común como una comida en familia. Al principio, puede haber caos: conversaciones cruzadas, diferentes platos llegando a la mesa, opiniones encontradas. Pero poco a poco, las dinámicas se ajustan. La energía se distribuye, los temas se entrelazan, y finalmente, se llega a un equilibrio. En un sentido más profundo, la fiesta de la vida es un proceso de termalización: fluctuamos, revivimos viejas discusiones, pero en última instancia, encontramos un punto de armonía.
La física cuántica, aunque parezca distante, refleja muchos de los procesos que experimentamos a diario. A veces, en nuestra búsqueda de equilibrio personal, pasamos por fluctuaciones, momentos en que sentimos que todo vuelve a un estado caótico. Pero con el tiempo, el sistema se ajusta y encontramos ese estado de tranquilidad, donde las energías se igualan y las fluctuaciones desaparecen. No es casualidad que muchas tradiciones espirituales, desde el budismo hasta el estoicismo, hablen de la importancia de aceptar el cambio y encontrar paz en medio de la incertidumbre.
Al final, este estudio sobre termalización en fibras ópticas multimodo y átomos de dos niveles nos muestra algo mucho más profundo que un simple proceso físico. Nos invita a reflexionar sobre la naturaleza del equilibrio, no solo en los sistemas cuánticos, sino también en nuestras vidas. La ciencia y la filosofía, después de todo, no están tan separadas como a veces pensamos. Ambas nos ayudan a entender el mundo, ya sea a través de ecuaciones o reflexiones profundas, y ambas nos llevan a la misma conclusión: el universo, en todos sus niveles, tiende hacia un equilibrio, un estado final de armonía.
Quizás, al observar el comportamiento de un pequeño átomo enredado en una red de luz, podamos aprender algo sobre nosotros mismos. Sobre cómo, a pesar de las fluctuaciones y los momentos de caos, siempre buscamos, de una forma u otra, esa paz y equilibrio tan fundamental en la naturaleza.
Referencia: https://arxiv.org/abs/2410.01416
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