Sin embargo, lo que en ese momento parecían pequeños problemas
resultaron ser la semilla de las dos ramas de la Física que en el siglo XX le dieron la vuelta
a esta ciencia hasta tal punto que se necesitó un
replanteamiento radical de los conceptos científicos y filosóficos que existían
hasta entonces.
Por un lado, los resultados de los experimentos para
determinar cómo se propagaban las ondas electromagnéticas dieron pié a Albert
Einstein para formular la Teoría de la Relatividad.
Por otro lado, la imposibilidad de explicar por las leyes clásicas como radiaban la energía los cuerpos negros sugirió a Max Planck (en un acto de desesperación y aún sin verle sentido) la idea de que "la energía no se intercambia de forma continua sino de forma discreta como múltiplo de una unidad de energía mínima (a la que le llamó cuanto)".
Sorprendido, comprobó que con esta hipótesis se
explicaban con absoluta precisión los resultados experimentales. La idea del
cuanto fue el germen de la Mecánica Cuántica y le valió a Planck el Premio Nobel
de Física de 1918.
La Mecánica Cuántica se ocupa del fascinante y paradójico
mundo del comportamiento de la materia y la radiación en las escalas atómica y
subatómica. Trata de describir y explicar las propiedades de las moléculas, los
átomos y sus constituyentes: protones, neutrones, electrones, quarks, gluones,
etc. Esas propiedades incluyen las interacciones de las partículas entre sí y
con la radiación electromagnética.
Matemáticamente la Mecánica Cuántica es relativamente fácil
de entender (para los matemáticos) y sus ecuaciones predicen los resultados
de los experimentos con una precisión admirable pero lo que
realmente significan esas ecuaciones no es fácil de entender en absoluto, ni
para los profanos ni siquiera para los expertos. En realidad, si lo analizamos
lógicamente no hay ninguna razón para pensar que el comportamiento del mundo
atómico y subatómico deba seguir las mismas pautas que el mundo macroscópico que
observamos en nuestra experiencia diaria.
Para anticiparnos a la típica reacción de incredulidad de
quién se acerca por primera vez a los principios de esta disciplina vamos a empezar por
ver algunas
opiniones sobre la Mecánica Cuántica de algunos de los científicos (todos ellos
premios Nobel de Física) que más se destacaron en el desarrollo de esta nueva
rama de la Ciencia.
Niels Bohr (Nobel 1922): "Quién no se siente impactado
por la Mecánica Cuántica es que no la conoce".
Richard Feynman (Nobel 1965): "Pienso que se puede
afirmar tranquilamente que nadie entiende la Mecánica Cuántica... No te pongas a
repetir, '¿pero cómo puede ser así?' porque te meterás en un callejón sin salida
del que nadie ha escapado. Nadie sabe cómo puede ser así".
Erwin Schrödinger (Nobel 1933): "No me gusta (la
Mecánica Cuántica) y me disgusta haber tenido que ver con ella".
Albert Einstein, a pesar de haber sido uno de los
pilares iniciales de la Teoría Cuántica explicando el efecto fotoeléctrico (por
lo que recibió el Nobel en 1921) fue muy crítico con la nueva teoría, decía que la
teoría "caía en la fantasmal" y no aceptó su
carácter probabilístico. Al final de su vida escribió : "Todos
estos cincuenta años de cavilación consciente no me han acercado a la respuesta
de la pregunta '¿Qué son los cuantos de luz?' Hoy en día cualquiera puede creer
que lo sabe, pero está equivocado".
Paul Dirac (Nobel 1933): "Ni siquiera con palabras
podemos explicarla bien".
Werner Heisenberg (Nobel 1932): "Todas las palabras o
conceptos que usamos para describir objetos físicos ordinarios como posición,
velocidad, color, tamaño, etc., se vuelven indefinidos y problemáticos si
tratamos de usarlos aplicados a las partículas elementales".
Stephen Hawking opina que comprender el funcionamiento íntimo
de la naturaleza no es lo más importante y que lo que realmente importa es
contar con una teoría que nos permita hacer predicciones de lo que va a ocurrir.
El experimento de la doble ranura
Empecemos por describir un experimento del que Richard Feynman
dice: “Es absolutamente imposible explicarlo de
alguna manera clásica. Su contenido es el corazón de la Mecánica Cuántica. En
realidad sólo contiene misterio ...”. Consiste en lanzar partículas, una a
una, sobre una barrera que tiene dos rendijas y observar como después de
atravesar las rendijas llegan a una pantalla situada detrás. El experimento, que
es totalmente repetible, se ha realizado con electrones, protones, neutrones y
hasta con moléculas de fullerenos, (compuestas por 60 átomos de carbono con
formas de balones de fútbol) y siempre se han obtenido los mismos sorprendentes
resultados. Pero en vez de describir textualmente los detalles del experimento
vamos a utilizar el siguiente video, que va
orientado a un público juvenil, y lo explica de forma muy esquemática y muy clara.
Entrelazamiento cuántico
Experimentalmente se comprueba que en determinadas
circunstancias dos o mas partículas quedan relacionadas entre si en un estado
especial que se ha denominado "estado entrelazado". El entrelazamiento entre
partículas constituye un fenómeno cuántico fundamental
que no se ajusta a la noción de realidad a la que estamos acostumbrados. Cuando
se observan partículas entrelazadas se comprueba que sus propiedades están
fuertemente correlacionadas aunque las partículas estén físicamente separadas.
Recientemente un equipo internacional liderado por Anton Zeilinger de la
Universidad de Viena ha publicado en Nature un estudio en el que ha comprobado
el entrelazamiento cuántico de dos fotones distantes 143 Km, uno en la isla de
La Palma y otro la de Tenerife.
Un cambio total
Estos y otros muchos experimentos realizados desde comienzos
del siglo XX llevaron a los científicos a la conclusión de que el mundo de los
átomos y de las partículas que lo componen no se rigen por los principios del
mundo macroscópico sino por otros totalmente nuevos y extraños que poco a poco
fueron descubriendo. Además del principio de cuantización de la energía, antes
mencionado, los principios descubiertos son los siguientes:
Principio de dependencia del observador, por el que es
imposible, por razones de principio, efectuar una medición sobre un sistema sin
perturbarlo. Si observamos un experimento relacionado con la colisión de una
determinada partícula, el resultado obtenido está afectado por el hecho de que
lo estamos observando. De acuerdo con la mecánica cuántica, la objetividad no
existe. Los detalles de la naturaleza de esta perturbación y la forma en que
ella ocurre son todavía asuntos controvertidos.
.jpg)
Principio de dualidad onda-partícula, por el que las partículas se comportan a veces como onda y a veces como partículas, existiendo una relación precisa entre la masa de cuando se comporta como partícula y la frecuencia de vibración de cuando se comporta como onda. (A través de E=mc2 y de E= hv).
Ecuación de onda de Schrödinger. Si desconcertante es
el hecho de que la materia se comporte como una onda, más desconcertante aún
resulta la explicación de que esa naturaleza ondulatoria de la materia esté
asociado a un comportamiento probabilístico. En 1924 Erwin Schrödinger comprobó
que si un experimento con una partícula se repetía de forma totalmente idéntica,
la partícula se encontraba cada vez en una posición diferente. A raíz de esto
desarrolló su famosa ecuación que describe con total precisión las
probabilidades de que la partícula se encuentre en cada una de las posiciones
del espacio así como su evolución en el tiempo.
Principio de incertidumbre de Heisenberg. En 1927,
Werner Heisenberg demostró que la precisión con que se pueden conocer la
posición y la velocidad de una partícula son inversamente proporcionales. Es
decir si se mide con precisión la posición se obtiene gran error en la velocidad
y viceversa. De igual manera demostró hay otras magnitudes que le ocurre lo
mismo y que esto es un hecho fundamental de la naturaleza que se da para todas
las partículas independientemente de los instrumentos y de los métodos de
medición empleados. A consecuencia de esto, en la interpretación actual, el
principio de incertidumbre de Heisenberg se expresa diciendo que no es que no
seamos capaces de hacer mediciones precisas por problemas de habilidad o de
instrumentación sino que realmente las partículas no tienen unos valores
concretos para esos pares de variables (posición-velocidad, energía-tiempo, etc).
Es decir, no es un problema de conocimiento sino de que en la naturaleza se da
realmente esa fluctuación de las propiedades. Además el hecho de que en ese
límite aparezca también la constante de Planck demuestra que esa constante es la
medida universal de la indeterminación introducida en las leyes naturales por el
dualismo de las ondas y los corpúsculos.
Interpretación de Copenhague
Pero una cosa son los principios enumerados, en la que los
expertos están de acuerdo y otra cosa es entender
las ideas que subyacen en esos principios. Si, las cosas son tan raras que los expertos en estas materias
han formulado a lo largo de los años diversas interpretaciones, cada una con sus
ventajas y sus inconvenientes. En 1927 Bohr presentó lo que desde entonces se
conoce como interpretación de Copenhague que ha sido tradicionalmente
considerada por muchos como la forma oficial de interpretar la Mecánica Cuántica. De acuerdo
con esa interpretación
el resultado de un
experimento cuántico es aleatorio y su probabilidad viene definida por la
función de onda. En el acto de la observación esa probabilidad difusa se
convierte en un resultado concreto que es lo que los expertos llaman "el colapso
de la función de onda". Un problema de esta interpretación es que no ofrece
ninguna explicación de cómo se produce este colapso. Y otro problema es que de
esta interpretación se deduce que la realidad física no existe sino que se crea en el momento de
observar.
¿Es la realidad así de complicada?
En su libro "El universo elegante" Brian Greene dice: "Los
expertos en mecánica cuántica son expertos porque saben aplicar unos métodos de
cálculo con los que pueden predecir resultados experimentales pero sin
comprender del todo por qué funcionan estos métodos o qué significan realmente.
Ante esta situación caben 2 explicaciones:
- Una. A nivel microscópico, el universo funciona realmente de una forma tan extraña, que la mente humana, que ha evolucionado para comprender los fenómenos de la vida cotidiana, es incapaz de comprender plenamente lo que en realidad pasa a nivel microscópico.
- Dos. Los científicos han construido una formulación de la Mecánica Cuántica tan extraordinariamente complicada, que aunque sus ecuaciones sirven para predecir cuantitativamente los resultados experimentales, no nos deja entender la verdadera naturaleza de la realidad. Realidad que si se abordara de otra forma si podría ser entendida.
Pero no sabemos cuál de las dos explicaciones es la más acertada. Tal vez
las dos."
Conclusión
Es frecuente acusar a la Mecánica Cuántica de no ser
determinista, ni causal, ni completa, ni realista, ni local, ni objetiva, etc.,
pero estas críticas hay que interpretarlas más como una insatisfacción con el
comportamiento observado del Universo, que como objeciones a la propia teoría
cuántica por reflejar dicho comportamiento. A pesar de ser contraria a
nuestra intuición y prejuicios clásicos es la mejor descripción de la Naturaleza
que ninguna otra encontrada hasta ahora y es además la teoría mejor comprobada
experimentalmente en la historia de la Ciencia. No da razones últimas de por qué
la Naturaleza es como parece ser, o de si podría ser de otra forma, pero
reproduce correctamente los comportamientos observados. Aunque algunas de sus
características desafíen al “sentido común”, no contiene contradicciones
internas, explica todos los resultados experimentales conocidos con una
precisión de hasta 20 cifras significativas y ha
permitido numerosas predicciones sobre nuevos fenómenos que hasta ahora siempre
se han confirmado. Ello no la convierte en un dogma indiscutible, pero tampoco
se puede considerar como una mera construcción social o un simple consenso entre
quienes se dedican a ella. En cualquier caso no se debe ignorar que un siglo
después de su descubrimiento, alrededor del 30% del producto interior bruto de
los EEUU depende de inventos (semiconductores, láser, resonancia magnética,
superconductividad, etc) basados en la Mecánica Cuántica.
Juan Rojas
