Cómo Anthony Leggett traspasó los límites de la física cuántica

En mi primer año de posgrado, compartí brevemente una oficina con un estudiante de posgrado mayor y tranquilo. Cuando finalmente logramos charlar un poco, me enteré de que estaba “trabajando en la teoría de las gafas con Tony”. Dos cosas quedaron claras: descifrar la física de las gafas era difícil y realmente debería haber sabido quién era Tony. Lo conocí bastante pronto. Un británico educado de unos 70 años, hablaba con la cadencia de un maestro de toda la vida y un brillo incontrovertible en sus ojos. Su nombre completo era Anthony James Leggett: premio Nobel, caballero del Imperio Británico, ganador de innumerables premios, experto en los habitantes ultrafríos del mundo cuántico y teórico que codesarrolló una influyente prueba para investigar dónde podría terminar ese mundo, una cuestión que persiguió durante décadas. Falleció el 8 de marzo, sobrevivido no sólo por su familia sino también por innumerables investigadores inspirados para quienes él era, en su manera característicamente humilde, también simplemente Tony.

Leggett nació en el sur de Londres en 1938 y asistió a una escuela jesuita donde su padre enseñaba física y química, antes de obtener una licenciatura en literatura clásica, filosofía e historia antigua en la Universidad de Oxford. Pero el canto de sirena de la física fue más fuerte que los textos antiguos y las lenguas muertas. Obtuvo otra licenciatura, ahora en física, y se mudó a la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC) para su formación postdoctoral.

En ese momento, la UIUC era rica en físicos que estudiaban nuevos tipos de materia y materiales cuánticos, muchos de los cuales sólo revelaban sus propiedades exóticas cuando se hacían extremadamente fríos. Gracias a su trabajo anterior, Tony ya estaba familiarizado con la física del ultrafrío, pero el tiempo que pasó en la UIUC le llamó la atención sobre el problema de una forma rara de helio llamada helio-3. En su conferencia del premio Nobel, contó la vez que los físicos John Bardeen y Leo Kadanoff vinieron a su oficina para contarle sobre un experimento con helio ultrafrío que se estaba llevando a cabo en el sótano. Leggett se propuso capturar facetas de ese experimento con ecuaciones matemáticas, pero se desvió. Abandonó el cálculo, pero continuaría teniendo una relación intermitente con el helio-3 ultrafrío durante la próxima década.

Serendipity intervino para llevarlo de nuevo al estudio de este extraño asunto. Un día de 1972, estaba de vacaciones cuando el clima lluvioso frustró sus planes de hacer senderismo. Entonces, se reunió con un amigo experimentalista, Robert Richardson. Según Leggett, lo que escuchó ese día cambió su carrera investigadora para siempre y lo llevó a obtener el premio Nobel. Richardson describió los resultados de un estudio de helio-3 ultrafrío en el que su equipo utilizó un método de obtención de imágenes llamado RMN que desconcertó a Leggett hasta tal punto que tan pronto como Richardson se fue, Leggett dijo que “se sentó a tratar de construir una prueba formal de que, dadas las leyes generalmente aceptadas de la mecánica cuántica y estadística, el cambio observado en los experimentos simplemente no podría ocurrir”. En otras palabras, le preocupaba que, al estudiar el helio ultrafrío, Richardson y sus colegas pudieran haber tropezado con una grieta en la propia física cuántica.

Al cabo de unos años, Leggett descubrió que la física cuántica estaba realmente bien, pero que el helio-3 ultrafrío realmente no se parecía a ningún sistema ultrafrío que se hubiera estudiado antes. Por esta época, el reino ultrafrío ya estaba desconcertando a los físicos. Si los gases o incluso algunos materiales sólidos se enfrían lo suficiente, a veces se comportan de manera extraña. Por ejemplo, a una temperatura suficientemente baja, los electrones de los superconductores no se repelen como de costumbre, sino que se emparejan y transportan electricidad con perfecta eficiencia. En otros casos, decenas o cientos de miles de átomos sometidos a un frío extremo pueden asumir el mismo estado cuántico y comportarse efectivamente como un solo trozo de materia cuántica en lugar de como individuos distintos. Así es como se forma un superfluido, y por qué tiene viscosidad cero y puede realizar trucos inesperados, como trepar por las paredes de un recipiente. ¿Era el helio-3 también un superalgo? Leggett quería averiguarlo y lo hizo con rigor.

Desarrolló una teoría integral del helio-3 ultrafrío, una tarea matemática que reveló que no era solo un superfluido, sino que sus átomos podían formar varios tipos diferentes de superfluido. Al describir esto, también descubrió una nueva forma de ruptura de simetría, una característica matemática de la nueva teoría del ultrafrío que podría explicar las mediciones de laboratorio previamente misteriosas.

Richardson había recibido el premio Nobel por su experimento con helio-3 en 1966, y el Nobel de Leggett, por su teoría, llegó en 2003.

“Todavía recuerdo la euforia comunitaria en 2003 el día en que se anunció el premio Nobel en las primeras horas de la mañana”, dice Smitha Vishveshwara, quien fue mi asesora de posgrado en la UIUC. Tony se mudó a UIUC en 1983 y ella comenzó a trabajar con él como investigadora postdoctoral en 2002. “Fue un mentor, amigo, colega e inspiración tan bondadoso, gentil y sabio para muchos de nosotros”. Puedo imaginármelo sentado en una de las mesas redondas del instituto de teoría de la física de la materia condensada de la UIUC, que ahora lleva su nombre, absorto en sus pensamientos pero nunca demasiado ocupado para responder una pregunta.

Y Tony estaba interesado en muchas más preguntas además del misterio del helio-3 superfluido. Estaba el estudio de las gafas del que me habló ese estudiante de posgrado mayor, pero Tony estaba especialmente cautivado por la idea de que la teoría cuántica puede no aplicarse a todo el mundo y, específicamente, que puede no funcionar para objetos grandes. ¿Podrían todas las rarezas de la física cuántica –como que una partícula sea meras nubes de posibles propiedades cuando nadie la mira– restringirse únicamente a objetos diminutos?

Legget especuló sobre esto en una entrevista de 2003 después de la ceremonia del premio Nobel, diciendo: “Si realmente todavía creemos [quantum physics] En el año 3000, entonces creo que en cierto sentido nuestra actitud hacia el mundo físico en el nivel cotidiano será radicalmente diferente de lo que es hoy, porque realmente habremos tenido que enfrentarnos a esta rareza, que para entonces, estoy seguro, se habrá amplificado al nivel cotidiano. Creo que es al menos igualmente probable, y tal vez más, que… encontremos que en algún momento la mecánica cuántica se desmorona y alguna nueva teoría, de la que por el momento no podemos tener ninguna idea, tomará el relevo”. Dijo que su esperanza personal era que sucediera exactamente esto.

Encontrar el borde de la física cuántica

Buscando esta elusiva línea de descomposición cuántica, él y Anupam Garg formularon una prueba matemática en 1985 que puede usarse para evaluar la cuántica de objetos grandes. Se puede observar el comportamiento de un objeto en diferentes momentos, conectar esas observaciones en una ecuación ahora llamada “desigualdad de Leggett-Garg” y discernir si las reglas de la física cuántica todavía lo controlan o no. En los últimos años, se han llevado a cabo experimentos de Leggett-Garg en varios sistemas, desde partículas de luz hasta cristales diminutos, y los investigadores los llevan constantemente a escalas cada vez mayores.

Las preguntas de Leggett sobre la relación entre el mundo macroscópico y la física cuántica también dieron origen a los experimentos que recibieron el premio Nobel el año pasado. “Le oí hablar de esto a principios de los años 80, y otros también. Tomamos su propuesta y la convertimos en un muy buen experimento”, dice John Martinis de la empresa de computación cuántica QoLab, que recibió el Nobel por demostrar que los efectos cuánticos pueden aparecer a escalas tan grandes como los circuitos hechos de capas de superconductores y aislantes. Leggett ya tenía un conocimiento profundo de cómo tales circuitos podían probar la existencia de la cuántica macroscópica, lo que fue una gran motivación para Martinis y su equipo para construirlos minuciosamente en el laboratorio, dice.

“Creo que es justo decir que Tony podría observar lo que todos los demás descartaron como un pequeño error en un gráfico y reconocerlo como una señal de algo completamente nuevo”, escribió su antiguo alumno David Waxman en la Universidad de Fudan en China. “Tony era extraordinariamente sensible a lo que la naturaleza intentaba decir”.

Los propios consejos de Leggett a los físicos jóvenes alentaron el mismo enfoque. “Si hay algo en la sabiduría convencional que usted no comprende, preocúpese por ello durante el tiempo que sea necesario y no se deje disuadir por las garantías de sus colegas físicos de que estas preguntas se comprenden bien”, aconsejó una vez. Luego, añadió que “ninguna investigación realizada honestamente se desperdicia”, incluso si termina guardada en un cajón durante décadas antes de generar alguna nueva idea.

Dejé UIUC en la primavera de 2020, e incluso en ese momento todavía se podía ver a Tony en su oficina, trabajando hasta los 80 años. Realmente creo que nunca dejó de escuchar la naturaleza con esa famosa curiosidad y cuidado. Ojalá hubiera podido mirar los estudios que aún esperaban su momento en los cajones de su escritorio.

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mecánica cuántica/física cuántica