Análogos cuánticos hidrodinámicos

Los análogos cuánticos hidrodinámicos se refieren a fenómenos observados experimentalmente que implican el rebote de gotas de fluido sobre un baño de fluido vibrante que se comportan de forma análoga a varios sistemas de mecánica cuántica . [1]

Se puede hacer que una gota rebote indefinidamente en una posición estacionaria sobre una superficie de fluido vibrante. Esto es posible debido a una capa de aire que lo impregna y que evita que la gota se una al baño. [2] Para ciertas combinaciones de aceleración de la superficie del baño, tamaño de la gota y frecuencia de vibración , una gota que rebota dejará de permanecer en una posición estacionaria, sino que “caminará” en un movimiento rectilíneo sobre el baño de fluido. [3] Se ha descubierto que los sistemas de gotas que caminan imitan varios fenómenos de la mecánica cuántica, incluida la difracción de partículas, el efecto túnel cuántico , las órbitas cuantificadas, el efecto Zeeman y el corral cuántico . [4] [5] [6][7] [8]

Además de ser un medio interesante para visualizar fenómenos típicos del mundo de la mecánica cuántica, las gotas flotantes en un baño vibrante tienen interesantes analogías con la teoría de la onda piloto , una de las muchas interpretaciones de la mecánica cuántica en sus primeras etapas de concepción y desarrollo. La teoría fue propuesta inicialmente por Louis de Broglie en 1927. [9] Sugiere que todas las partículas en movimiento en realidad son transportadas por un movimiento ondulatorio, similar a cómo se mueve un objeto en una marea. En esta teoría, es la evolución de la onda portadora la que viene dada por la ecuación de Schrödinger . Es una teoría determinista y es completamente no local.. Es un ejemplo de una teoría de variables ocultas , y toda la mecánica cuántica no relativista puede explicarse en esta teoría. La teoría fue abandonada por De Broglie en 1932, dio paso a la interpretación de Copenhague , pero fue revivida por David Bohm en 1952 como teoría de De Broglie-Bohm . La interpretación de Copenhague no utiliza el concepto de onda portadora o que una partícula se mueve en trayectorias definidas hasta que se realiza una medición.

Las gotas flotantes en un baño vibrante fueron descritas por primera vez por escrito por Jearl Walker en un artículo de 1978 en Scientific American . En 2005, Yves Couder y su laboratorio fueron los primeros en estudiar sistemáticamente la dinámica de las gotas que rebotan y descubrieron la mayoría de los análogos de la mecánica cuántica. John Bush y su laboratorio ampliaron el trabajo de Couder y estudiaron el sistema con mayor detalle.

Una gota de líquido puede flotar o rebotar sobre un baño de líquido vibrante debido a la presencia de una capa de aire entre la gota y la superficie del baño. El comportamiento de la gota depende de la aceleración de la superficie del baño. Por debajo de una aceleración crítica, la gota realizará rebotes sucesivamente más pequeños antes de que la capa de aire intermedia finalmente se drene por debajo, lo que hará que la gota se coaleszca. Por encima del umbral de rebote, la capa de aire que interviene se repone durante cada rebote para que la gota nunca toque la superficie de la bañera. Cerca de la superficie del baño, la gota experimenta un equilibrio entre las fuerzas de inercia, la gravedad y una fuerza de reacción debido a la interacción con la capa de aire sobre la superficie del baño. Esta fuerza de reacción sirve para lanzar la gota de regreso por encima del aire como unatrampolín . Molacek y Bush propusieron dos modelos diferentes para la fuerza de reacción. El primero modela la fuerza de reacción como un resorte lineal, lo que lleva a la siguiente ecuación de movimiento:

Gota de supercaminar