Existe un campo del conocimiento asombrosopara el ser humano, con bases extramadamente bien fundadasque quizás representa la mayor revolucióncientífica del siglo XX. Una teoría científica que revelauna realidad verdaderamente extraña queescapa a nuestra intuición pero funciona con una lógica matemática.En este artículo vamos a intentar explicar qué es la físicacuántica.
La física cuántica es una teoría que describe cómo funciona elmundo a escalas muy, muy pequeñas. Su validezdescansa sobre experimentos científicos, y es una de lasteorías más probadas en los últimos años por la perpejlidad que provoca su naturaleza en el serhumano y porque sus efectos desafían no ya el sentido comúnsino la imaginación del hombre.
¿Qué significa que una partícula pueda estar en un sitio y entodos los sitios al mismo tiempo? ¿Está vivo o muerto elgato de Schröedinger? ¿Por qué no podemos predecir losfenómenos cuánticos con total exactitud?
Antes de entrar en materia y descubrir qué es la físicacuántica resulta necesaria una pequeña cura de humildad.Durante miles de años el ser humano dio por hecho que la Tierra era plana o que era el Sol el que giraba alrededorde nuestro planeta porque lo contrario eran conceptos queescapaban al sentido común de la época, por las razones quefuesen.
Quizás llegue un día en el que la física cuántica resulte unamateria tan asimilada como cualquier otra para el común de losmortales y se enseñe en la escuela primaria, pero ese tiempotodavía parece lejano. "Si piensas que entiendesa la mecánica cuántica en realidad no entiendes la mecánicacuántica", resumió una vez Richard Feynman, uno de losfísicos más brillantes del siglo XX.
¿Sabes qué es la computacióncuántica?
La físca cuántica aglutina un conjunto de teorías que explicancómo se comportan las partículasfundamentales, es decir, las más pequeñas de todas e inclusomás pequeñas que los átomos, como los electrones. Los miles deexperimentos científicos han demostrado una y otra vez queestaspartículas subatómicassecomportan de una manera extaordinaria desde el punto de vista delser humano: puedenatravesar paredes,encontrarse en varios sitios a la vez y moverse en todos lossentidos al mismo tiempo.
Una teoría de esta magnitud desconcierta a cualquier mortal.Incluso a uno de la talla de AlbertEinstein, el mejor físico teórico de la historia y uno delos padres de la mecánica cuántica, que se pasó casi 20 añosintentando demostrar que la física cuántica estabaequivocada. Dejó una reflexión para la historia, "Dios no juegaa los dados con el universo",pero fueincapaz de encontrar errores en la físicacuántica.
"Einstein, deje de decirle a Dios lo que tiene que hacer", lerespondió años más tarde Niels Bohr, otrode los grandes científicos que ayudó a desarrollar las leyes de lamecánica cuántica. Y al debate, por supuesto, también se ha unidootro icono de la ciencia moderna como StephenHawking. "Dios no sólo juega a los dados con el Universo;sino que a veces los arroja donde no podemos verlos".
Pero vayamos por partes. Para entendermejor qué es la física cuántica se debenconocer algunos conceptos que arrojan mucha luz sobre estasleyes que gobiernan el Universo.
Principio de superposición cuántica y el gato deSchrödinger
En 1935, Erwin Schrödinger propuso unexperimento en el que un gato se introducíadentro de una caja junto con un material radioactivo con unaprobabilidad del 50 por ciento de que se emitiera una partículasubatómica que si se llegara a desintegrar liberaría un veneno quemataría al gato.
El sentido común, representado en esta historia como la físicaclásica o newtoniana, nos dice que si la caja está cerradael gato tiene una probabilidad entre dos: o estávivo o está muerto, y para descubrirlo es necesario abrir lacaja.
Pero la mecánicacuánticafunciona de manera diferente. A escalasubatómica no podemos hablar de que el átomo puede haber liberadouna partícula mortífera o no, sino que laemitido y no lo ha hecho al mismo tiempo.
De esta manera el destino del gato queda conectado a lapartícula y está muerto y vivo a lavez.
El comportamiento cuántico desaparece a una escala tan grandecomo la de un gato, que tiene billones de átomos. Pero la físicacuántica demuestra que un átomo pueden estar endos lugares a la vez o que un electrón puede girar en elsentido de las agujas del reloj y al contrario al mismo tiempo.
Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg
A finales de los años veinte del siglo pasado el físico alemánWerner Heisenberg tuvo una ideaextraordinaria: si las leyes del universocuántico eran tan distintas al nuestra experienciacotidiana, ¿por qué estudiarla bajo los preceptos tradicionales, esdecir, bajo la óptica de la física newtoniana?
Entonces, en lugar de elaborar una teoría para intentar predecirqué sucede en la física cuántica simplemente se dedicó a intentarmedirla. Y entonces ocurrió algo muy extraño. Heisenberg descubrióque era imposible conocer la posición y lavelocidad de una partícula simultáneamente de formaexacta.
Con otras palabras, cuanto más precisa era la medición o determinación de la posición de unapartícula en un instante dado, menosprecisa era el conocimiento sobre su velocidad en ese mismoinstante. Llevado al extremo, la precisión totalen una de las cantidades implica la imprecisión total en laotra.
El descubrimiento cambió uno de los teoremas fundamentales de laciencia tradicional, la ley de casualidad que establece que siconocemos exactamente el presente es posiblecalcular el futuro. Bajos los ojos de la mecánica cuánticano es que sea imposible calcular el futuro, sino que no se puedeconocer con precisión absoluta el presente.
Gracias a este principio formulado por Heisenberg hoy sabemosque un observador no puede medir dos propiedadesde una partícula al mismo tiempo. Por ejemplo, o biendetermina su posición exacta dentro del espacio o su momentoexacto, el producto de la velocidad de la masa, pero si intentahacer las dos cosas a la vez el resultado tendrá fallos.
El experimento de la doble rendija
El clásico experimento de la doblerendija sirve para explicar a la perfección qué es la físicacuántica y, además, introduce un ejemplo práctico del principio deincertidumbre de Heisenberg.
Para ello basta con imagunar un campo defútbol, una portería y una pared con dos rendijasligeramente más anchas que el balón. Si pedimos a un futbolista conrelativa precisión que se sitúe de cara a la pared y dispareindistintamente a las dos rendijas decenas de balones el resultadoserá el siguiente. En la portería se concentrarán los balones quehan conseguido 'atravesar' la pared por la habilidad del futbolistaen dos zonas muy específicas que se corresponden con lasrendijas.
Ahora bien, al repetir el experimento a unaescala atómica los resultados son totalmente diferentes. Loselectrones, en el papel de balones de fútbol, no se concentraríansobre dos líneas en línea paralela a las rendijas, sino que seacumularían en varias líneas a lo largo de toda la portería, comoun código de barras.
¿Cómo es posible? Al estudiar dónde impactan los balones con laayuda de la lógica matemática la física cuánticallega a la conclusión de que esos electrones o balones de fútbol enrealidad pasan y no pasan por todas las rendijasque existan a la vez.
Hasta aquí el experimento escapa a nuestro sentido común, perosi vamos un paso más allá ocurre algo todavía más extraño.Colocamos una cámara al lado de cadarendija para detectar por dónde pasa efectivamente elelectrón. El resultado entonces es exactamenteel mismo que con los balones de fútbol a tamañoreal:al introducir un observador la mecánica cuánticase esconde como por arte de magia.
Utilidad de la física cuántica
¿Para qué se utiliza la física cuántica? Además de para provocarun fuerte dolor de cabeza al reflexionar sobre conceptos que seescapan tanto a nuestra realidad cotidiana, muchos conceptos de la física cuántica se aplican hoyen todo tipo de sectores. desde las telecomunicaciones a lamedicina.
La física cuántica es necesaria por ejemplo, para leer lainformación almacenada en el disco duro de un PC o de un DVD, para eldesarrollo de los chips de los teléfonosmóviles, los transistores, laexploración del universo, para todo tipo de tecnologías queutilizan el láser o las imágenes por resonanciamagnética que se utilizan en el campo de la medicina.
A pesar de todo lo que sabemos sobre la física cuántica todavíaqueda un larguísimo camino por recorrer para desvelar todos sussecretos, en buena medida porque hablamos de una rama todavía muyjoven que se formuló a principios del siglo XX y desarrollada apartir de 1920 por físicos y matemáticos de latalla deSchrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, VonNeumann, Bohr o Richard Feynman.
Noventa años después algunos conceptos de la física cuánticaresultan todavía un misterio muy difícil de explicar, como elentrelazamiento cuántico. Para entendermejor todos estos conceptos uno de los mejores divulgadorescientíficos de nuestro tiempo es sin dudaStephen Hawking, que en su último libro recoge las leyesde la mecánica cuántica para intentar explicar nada menos que elorigen del universo.
