Física Cuántica

Por William Arntz, Betsy Chasse, Mark Vicente

"Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la física cuántica"
RICHARD FEYNMANN

Galardonado con el Premio Nobel de Física en 1965 por sus investigaciones sobre electrodinámica cuántica.

"Aquel que no se asombra cuando se encuentra por primera vez con la teoría cuántica es que posiblemente no se ha enterado de nada."

Niels Bohr,
galardonado con el Premio Nobel de Física en 1922 por su trabajo sobre la estructura del átomo.

Creo que en los próximos años nos vamos a llevar muchas sorpresas con el desarrollo tecnológico en diversos campos. La física cuántica creo que va a ser un terreno en donde se descubran fenómenos sorprendentes. De hecho es un área tremendamente complicado. Reproduzco aquí un artículo que puede servir de introducción.

Si gente como los ganadores del Premio Nobel no entienden la teoría cuántica, entonces ¿qué esperanza nos queda? ¿Qué se hace cuando la realidad llama a tu puerta y te dice cosas que te confunden, te desconciertan y te dejan perplejo? Tu forma de reaccionar, de actuar en la vida, y las opciones que te planteas dicen mucho de ti, pero ése es un misterio que trataremos en otro capítulo. Ahora, de momento, charlemos sobre electrones, fotones y quarks, y de cómo algo (¡y si es que se trata de algo!) tan diminuto puede ser tan insondable y hacer pedazos nuestro mundo tan bien ordenado y comprensible.

Lo conocido se encuentra con lo desconocido 

La física clásica de Newton se fundamentaba en observaciones relativas a objetos cotidianos, desde la caída de una manzana a planetas en órbita. Sus leyes se sometían constantemente a examen, se probaban y se difundieron durante cientos de años. Pero a finales del siglo XIX, cuando los físicos comenzaron a crear herramientas para investigar los diminutos campos de la materia, descubrieron algo que les dejó atónitos: ¡la física de Newton no funcionaba! 

A lo largo de los siguientes cien años se fue creando una descripción científica completamente nueva para explicar el mundo de lo diminuto. Ese nuevo saber, conocido como mecánica cuántica o física cuántica (o simplemente teoría cuántica), no viene a reemplazar la física de Newton, que aún funciona muy bien para explicar los objetos grandes, macroscópicos. La nueva física, en cambio, se inventó para llegar, valientemente, donde la física de Newton no pudo llegar: al mundo subatómico.

"El universo es muy extraño -dice Stuart Hameroff--. Al parecer existen dos grupos de leyes que rigen el universo. En nuestro mundo clásico de cada día, entendiéndolo más o menos a nuestro tamaño y escala de tiempo, las cosas se explican según las leyes del movimiento de Newton, elaboradas cientos de años atrás... Sin embargo, cuando llegamos a una escala más reducida, al nivel de los átomos, aparece un conjunto de leyes diferente. Son las leyes cuánticas".

¿Hecho o ficción?

Lo que la teoría cuántica ha revelado nos deja tan pasmados que suena a ciencia ficción: las partículas pueden estar en dos o más lugares a la vez. (Un experimento muy reciente demostró que una partícula podía estar ¡hasta en 3.000 lugares distintos!). El mismo "objeto" puede parecer una partícula localizable en un lugar, o una onda extendida en el espacio y el tiempo. D hecho ya se están haciendo máquinas que demuestran la teoría cuántica. 

Einstein dijo que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, pero la física cuántica ha demostrado que las partículas subatómicas se comunican al parecer instantáneamente, sea cual sea la extensión del espacio.

La física clásica era determinista: dado un conjunto cualquiera de condiciones de un objeto (tales como la posición y la velocidad), se puede determinar con seguridad adonde va. La física cuántica es probabilista: nunca se puede saber con seguridad absoluta en qué se convertirá una cosa en concreto.

La física clásica era reduccionista. Se basaba en la premisa de que sólo si se conocen las distintas partes, se podrá finalmente entender el todo. La nueva física es más orgánica y holística; pinta una imagen del universo como un todo unificado, cuyas partes están interconectadas e influyen unas sobre otras.

Lo que quizá sea más importante es que la física cuántica ha borrado la tajante división cartesiana entre sujeto y objeto, entre observador y observado, que ha dominado la ciencia durante cuatrocientos años.

En física cuántica, el observador influye en el objeto observado. No existen los observadores aislados del universo mecánico, sino que todo participa en el universo.

Perplejidad 1: espacio vacío

Una de las primeras grietas en la estructura de la física newtoniana fue el descubrimiento de que los átomos, los pilares del universo físico, supuestamente sólidos, estaban formados en su mayor parte por un espacio vacío. ¿Cómo de vacío? Si utilizamos una pelota de baloncesto para representar el núcleo de un átomo de hidrógeno, el electrón que lo circunda estaría a unos 32 kilómetros de distancia y el espacio intermedio entre ambos estaría vacío. Así pues, cuando mires a tu alrededor recuerda que lo que hay realmente son puntitos diminutos de materia rodeados de nada.

Bueno, en realidad no es así. Ese supuesto "vacío" no está vacío del todo; contiene cantidades enormes de energía, poderosa y compleja. Sabemos que la energía se incrementa a medida que nos adentramos en niveles de materia más sutiles (la energía nuclear es un millón de veces más poderosa que la energía química, por ejemplo). Los científicos dicen ahora que hay más energía en un centímetro cúbico de espacio vacío (el tamaño de una canica, más o menos) que en toda la materia del universo conocido. Aunque los científicos no han conseguido medirla directamente, sí han visto los efectos de ese mar inmenso de energía.

* (Para obtener más información sobre este punto, consultar las "Fuerzas Van der waals" y el "Efecto Casimir").

Perplejidad 2: ¿partícula, onda u ondícula?

No sólo hay "espacio" entre las partículas, sino que, cuando los científicos han investigado el átomo más detenidamente, han descubierto que las partículas subatómicas (los componentes del átomo) tampoco son sólidas. Al parecer, tienen una naturaleza dual. Dependiendo de cómo las miremos, pueden comportarse como partículas o como ondas. Las partículas se pueden describir como objetos sólidos e independientes, que ocupan un lugar específico en el espacio. Las ondas, por el contrario, ni están localizadas ni son sólidas, sino que están extendidas, como las ondas sonoras o las olas en el agua.

En cuanto ondas, los electrones o los fotones (partículas lumínicas) no ocupan una posición precisa, sino que existen como "campos de probabilidades". Y en cuanto partículas, el campo de probabilidades se "desintegra" y da paso a un objeto sólido localizable en un tiempo y un lugar específicos.

Sorprendentemente, lo que parece marcar la diferencia es la observación o la medición. Sin ser medidos ni observados, los electrones se comportan como ondas, pero en cuanto se someten a observación en un experimento, "dan paso" a una partícula que puede ser localizada.

¿Cómo es posible que algo pueda ser a la vez una partícula sólida y una onda blanda y fluida? Quizá podamos resolver la paradoja si recordamos lo que dijimos antes: las partículas se comportan como una onda o como una partícula. La "onda" es sólo una analogía y la "partícula" es otra analogía tomada de nuestro mundo cotidiano. Erwin Schródinger dio consistencia al concepto de onda en la teoría cuántica, con su famosa "ecuación de ondas", que calcula matemáticamente las probabilidades de onda que tiene la partícula antes de ser observada.

Los científicos no saben realmente con qué RAYOS están tratando, pero, sea lo que sea, nunca han visto algo parecido. Algunos físicos han decidido llamar a este fenómeno "ondícula".

Perplejidad 3: saltos cuánticos y probabilidad

Al estudiar el átomo, los científicos descubrieron que cuando los electrones se mueven de órbita en órbita alrededor del núcleo, no se mueven por el espacio como lo hacen los objetos ordinarios, sino que se mueven instantáneamente. Es decir, desaparecen de un lugar, de una órbita, y aparecen en otra, lo cual se conoce como salto cuántico.

Por si esto no rompiera ya suficientes reglas de la realidad lógica y razonable, los científicos descubrieron también que no podían determinar con exactitud dónde aparecerían los electrones, ni cuándo saltarían. Lo mejor que pudieron hacer fue formular las probabilidades de la nueva situación del electrón (ecuación de ondas de Schródinger). "Dentro de ese mar de posibilidades, la realidad, tal y como la experimentamos, se crea constantemente de nuevo en cada momento", dice el doctor Satinover, y añade: "Pero el verdadero misterio consiste en que, en ese mar de posibilidades, lo que determina qué posibilidad es la que va a ocurrir no es nada que sea parte del universo físico. No hay un proceso que haga que suceda".

O como se dice muchas veces: los eventos cuánticos son los únicos eventos verdaderamente aleatorios en el universo.

Perplejidad 4: el Principio de Incertidumbre

En la física clásica, todos los atributos de un objeto, incluyendo su posición y su velocidad, se pueden medir con precisión con el único límite que imponga la tecnología. Ahora bien, en el nivel cuántico, cuando se mide una propiedad, como la velocidad, no se puede obtener una medición precisa de otras propiedades, como la posición. Si se sabe dónde está algo, no se puede saber a qué velocidad se mueve. Y si se sabe a qué velocidad se mueve, no se sabe dónde está.

El Principio de Incertidumbre (conocido también como Principio de Indeterminación) lúe formulado por Werner Heisenberg, uno de los pioneros de la física cuántica. Sostiene que no se puede conseguir una medición precisa de la velocidad y la posición, por mucho que se intente. Cuanto más se concentra uno en una de ambas magnitudes, más incierta se hace la medición de la otra.

Perplejidad 5: la no-localidad, EPR, el teorema de Bell y la interconexión cuántica

A Albert Einstein no le gustaba la física cuántica, por decirlo suavemente. Entre otras cosas, se refirió al carácter aleatorio que acabamos de describir con la infausta afirmación: "Dios no juega a los dados con el Universo". Y Niels Bohr le contestó: "¡Deje de decirle a Dios lo que tiene que hacer!".

En 1935, en un intento de frustrar la mecánica cuántica, Einstein, Pedolsky y Rosen (EPR) idearon y pusieron por escrito un experimento tratando de demostrar lo ridícula que era. Dedujeron hábilmente una de las consecuencias de la teoría cuántica que no fue apreciada en la época: te las arreglas para tener dos partículas creadas a la vez, lo que significa que estarán interconectadas o superpuestas. Entonces, las lanzas a lugares opuestos del universo; luego, haces algo a una de ellas para que cambie de estado y la otra partícula cambia al instante para adoptar el estado correspondiente. ¡Instantáneamente!

La idea era tan absurda que Einstein se refería a ella como "una acción fantasmagórica a distancia". Según la teoría de la relatividad, nada puede moverse a una velocidad mayor que la de la luz. ¡Pues eso era infinitamente más rápido! Además, la idea de que un electrón pudiera seguir la pista a otro que estaba en la otra punta del universo sencillamente transgredía cualquier juicio sensato sobre la realidad.

Después, en 1964, John Bell formuló una teoría que decía que sí, que, en efecto, la afirmación de EPR era correcta. Que eso es exactamente lo que ocurre; que la idea de que algo sea local, o exista en un lugar concreto, es incorrecta. Todo es no-local. Las partículas están íntimamente conectadas en un nivel que trasciende el tiempo y el espacio.

Max Planck

Esta idea se ha verificado una y otra vez en el laboratorio durante años, desde que Bell publicó su teorema. Intenta concentrarte en ella durante un minuto. En el mundo cuántico, el tiempo y el espacio (los rasgos básicos del mundo en que vivimos) se reemplazan por la idea de que todo se está en contacto con todo, todo el tiempo. No es de extrañar que Einstein pensara que semejante idea supondría un golpe mortal para la mecánica cuántica: no tiene sentido.

Sin embargo, parece ser que ese fenómeno es una ley factible del universo. De hecho, cuentan que Schródinger afirmaba que la interconexión no era uno de los aspectos interesantes de la teoría cuántica: era el aspecto. En 1975, el físico teórico Henry Stapp definió el Teorema de Bell como "el descubrimiento más profundo de la ciencia". Observa que dice ciencia y no meramente física.

La física cuántica y el misticismo

Probablemente ahora resulte más fácil ver por qué los terrenos de la física y del misticismo se rozan uno con otro. Las cosas están separadas pero están siempre en contacto (no-locales); los electrones se mueven de A a B pero nunca en medio de las dos; la materia parece ser (matemáticamente hablando) una función de onda distribuida y sólo se desintegra, o existe espacialmente, cuando se mide.

Muchos de los fundadores de la teoría cuántica tenían un interés enorme en temas espirituales. Niels Bohr utilizaba el símbolo ying/yang en su escudo de armas; David Bohm tenía largas discusiones con el sabio indio Krishnamurti; Erwin Schródinger daba conferencias sobre los upanishads.' (Los upanishads son textos sagrados del hinduismo relacionados con los vedas. N.del T.).

Las preguntas sobre qué causa la desintegración de la función ondular, o sobre si los eventos cuánticos son realmente aleatorios, permanecen aún sin respuesta en su mayoría. No obstante, aun cuando sea imperiosa la necesidad de elaborar un concepto verdaderamente unificado de la realidad que nos incluya forzosamente y que dé respuesta a los misterios cuánticos, el filósofo contemporáneo Ken Wilber, también nos insta a ser cautos:

El trabajo de estos científicos (Bohm, Pribram, Wheeler y todos los otros) es demasiado importante como para lastrarlo con especulaciones insensatas sobre el misticismo. Y el propio misticismo es demasiado profundo como para vincularlo con fases de la especulación científica. Dejemos que se valoren el uno al otro y dejemos que nunca cese el diálogo entre ellos y el intercambio mutuo de ideas...(Ken Wilber, El paradigma holográfico, Kairós, Barcelona, 1987).

Lo que yo pretendo al criticar ciertos aspectos del nuevo paradigma no es en absoluto impedir que haya interés en realizar más intentos, sino más bien hacer una llamada a la precisión y a la claridad en la presentación de estos temas, que son extraordinariamente complejos, al fin y al cabo.'

Conclusiones

¿Conclusiones? ¡Estás de broma! Por favor, si tienes conclusiones, huye con ellas. En caso contrario, bienvenido al mundo del pensamiento abstracto, un mundo polémico, excitante, desconcertante y revelador. Ciencia, misticismo, paradigmas, realidad. Mira lo que la humanidad ha investigado, descubierto y debatido.

Mira cómo la mente humana ha explorado este extraño mundo en el que parece que nos hemos descubierto a nosotros mismos.

Ésta es nuestra auténtica grandeza.