FECHA: 23/12/20
Daniel Alonso
Universidad de La Laguna
¿Se puede diseñar un reloj de precisión tal que haga un tic-tac cada 0.0000000000000001 segundos? ¿Es factible la transmisión de información entre dos personas de tal manera que una tercera, si la intercepta, no pueda esconder su acción? Si un problema tiene un gran número de posibles alternativas, ¿se podrían explorar todas a la vez? Cuando una fuerza extremadamente débil desplaza espacialmente un objeto en una distancia menor que el tamaño de un núcleo atómico, ¿es posible detectar tal desplazamiento? Al igual que tenemos máquinas que realizan trabajo o refrigeran, ¿es posible convertir un átomo en un motor térmico o un refrigerador?
Este es el tipo de preguntas que sugiere y responde la Física Cuántica. Una disciplina que se caracteriza porque sus postulados y conceptos resultan extraños a la experiencia; tienen un marcado carácter probabilístico, que expone el carácter aleatorio de la naturaleza; es “no local” y que, por sus implicaciones tecnológicas y filosóficas, hacen de lo cuántico un mundo fascinante. Una vez que te adentras en él, tu visión del mundo cambia para siempre.
Entre el final del siglo XIX y el principio del XX se acumularon numerosas observaciones que no se podían explicar en el marco de las teorías físicas conocidas; resultados que provocaron el nacimiento de una nueva Física: la Cuántica. Un ejemplo de estas observaciones “anómalas” para la física más clásica es el caso de los espectros de la luz emitida por gases atómicos al ser calentados. Cuando esta luz pasa por un prisma, no se observa una gama continua de colores, como ocurre con la del Sol, sino que se proyectan colores precisos, sin continuidad en la transición de uno a otro. Los colores están cuantizados. Se intentó explicar esta observación sobre la base de las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell. Se imaginó a los átomos como modelos planetarios; núcleos alrededor de los cuales orbitan electrones, como lo hace la Luna alrededor de la Tierra. Pero mientras que la distancia media entre la Luna y la Tierra es de 384400000 metros, la que hay entre el núcleo de un átomo de hidrógeno y su único electrón es del orden de 0.00000000000529 metros. Es decir, se intentó emplear una teoría que explica las observaciones del movimiento de la Luna a sistemas “planetarios” que son ¡19 órdenes de magnitud más pequeños!. Además, las leyes de Maxwell predicen que los sistemas planetarios de los átomos son inestables. Siguiendo estas ideas, los trabajos pioneros de Planck y Einstein y de otros, entre ellos Bohr, encontraron la manera de explicar el espectro de átomos simples como el del hidrógeno. Pero enseguida se comprobó que las respuestas basadas en la combinación creativa de viejos conceptos no servían y que se necesitaban otros, completamente distintos. En fin, no se trataba ya de construir un nuevo marco que ajustase los datos observados, sino de desarrollar un nuevo esquema racional, con conceptos nuevos, que implicaban cambios profundos en nuestra concepción de la naturaleza. La mecánica cuántica, asociada a Heisenberg, Born, Jordan, Dirac y Schrödinger, es el resultado de dicha búsqueda.
Desde la nueva teoría, el espectro de la luz emitida por los gases calientes antes mencionados, se explica por el hecho de que los electrones de los átomos tienen estados con energías precisas, que conforman un conjunto discreto. Cuando cambian de un estado energético a otro, por ejemplo, perdiendo una cierta cantidad energía ΔE, liberan radiación cuya frecuencia es υ = ΔE/h y donde h (6.6260·10-34 m2 kg·seg-1, m = metro; kg= kilogramos, seg = segundos), es la constante universal asociada a la teoría cuántica: la constante de Planck.
La teoría cuántica tiene aspectos muy sorprendentes. Supongamos que tenemos un objeto cuántico que se puede disponer en el laboratorio y una propiedad física medible con dos valores posibles A o B, a los que podemos asignar los estados A y B, respectivamente. De acuerdo con la Física Cuántica también es posible que el objeto se encuentre en estados “intermedios”, combinaciones lineales de los anteriores, del tipo =α ψA+β ψA (donde y son números complejos). Si el sistema se encuentra en ese estado intermedio, ocurre que no podremos predecir si el resultado de una medida individual será A o B, pero sí decir cuál será la probabilidad P(A)/P(B) de obtener A/B respectivamente en un conjunto suficiente de medidas; probabilidad que vienen dadas por P(A)=|α|2y P(B)=|β|2. Muchos resultados experimentales han mostrado el carácter profundamente aleatorio de los fenómenos cuánticos.
Otro aspecto de la Física Cuántica que la hace fascinante es el entrelazamiento entre partículas. En muchas situaciones se observan cambios sistemáticos en los datos medidos en una de las partículas con respecto a mediciones en la otra, existen “correlaciones” entre las partículas. Se pueden explicar dichas experiencias si se acepta su existencia sin que medie interacción entre ellas: esto es lo que se conoce como entrelazamiento cuántico. Tomemos el caso de dos partículas “entrelazadas”, situadas en dos laboratorios distintos, no importa lo distantes que se encuentren. La medida de alguna propiedad en una de las partículas nos revela correlaciones con los resultados de la medida en la otra. El matiz importante aquí es que las medidas realizadas localmente sobre las partículas, de forma independiente, solo muestran la correlación entre ellas cuando se comparan los registros obtenidos, que por otra parte aparecen localmente como aleatorios. Éste es uno de los aspectos más chocantes de la teoría cuántica y que más intrigó a Einstein. Es por esto que se afirma que la Física Cuántica tiene un carácter no local. La posibilidad de manipular estados entrelazados permite generar protocolos, denominado de teleportación, en los que dos laboratorios poseen cada una de las dos partículas que conforman un estado entrelazado y lo emplean como canal para que una tercera partícula sea exactamente replicada en el otro laboratorio (una copia perfecta), eso sí, a expensas que desaparezca la original.
Es fácil intuir las posibilidades que nos abre la Física Cuántica si imaginamos cuántas máquinas, en hospitales, medios de transporte y hogares requieren del conocimiento de la Física Cuántica. De hecho, los progresos más recientes están posibilitando una nueva generación de tecnología que emplea los conceptos cuánticos más intrigantes, son las llamadas tecnologías cuánticas.
Pero a pesar de los éxitos obtenidos, aún persisten preguntas fundamentales: ¿Cómo entender el entrelazamiento y el hecho de que dos objetos apartados remotamente permanezcan correlacionados? La no localidad de la Física Cuántica y su carácter probabilístico. ¿Qué nos dice la Física Cuántica sobre la naturaleza de lo real? Si la Física Cuántica es la teoría que describe el mundo que observamos a escala microscópica, ¿cómo recuperamos el mundo observado a nuestra escala a partir de su naturaleza cuántica microscópica? ¿Qué teoría debemos formular que concilie nuestra descripción física a gran escala, la relatividad general de Einstein, con la Física Cuántica? ¿Afectará la Física Cuántica a nuestra concepción del espacio-tiempo?
Cuestiones todas ellas de carácter fundamental y que están esperando a ser resueltas.