¿Comprender la física cuántica?

El sentido - Comentarios -

¿Puede algo ser y no ser al mismo tiempo?¿Y estar aquí y en otro lugar?¿Puede el futuro influir en el pasado?¿Es posible que la realidad no exista hasta que nosotros no la creamos con nuestra mente? Esto que parece ciencia ficción o magia son en realidad las indudables conclusiones de la física cuántica. Si, es ciencia.

¿Podemos comprender la física cuántica? “Si crees que entiendes la física cuántica, en realidad no entiendes la física cuántica”. Son palabras de Richard Feynman, Premio Nobel de Física por sus contribuciones a la electrodinámica cuántica y uno de los mayores científicos del siglo XX. Detrás de esta afirmación está la creencia, de muchos expertos, de que no tiene sentido buscarle una explicación a lo que resulta inexplicable, sino que lo que hay que hacer simplemente es sumergirse en ello y aceptarlo.

Como vimos en el anterior artículo “¿Qué lugar ocupamos en el Universo?”, el mundo de lo muy pequeño es abrumadoramente complejo y mucho más vasto que el de lo que consideramos grande. La física cuántica estudia las leyes que gobiernan ese mundo que no percibimos con nuestros sentidos, de las partículas y las interacciones a las que están expuestas las estructuras atómicas y subatómicas, de las que todos y todo estamos formados. No lo vemos pero toda la tecnología que nos rodea actualmente funciona gracias a los avances en la física cuántica.

Sin embargo, lo que la hace tan interesante es que la mayor parte de estas reglas son radicalmente diferentes a las leyes a las que estamos acostumbrados en el mundo que nosotros percibimos, el mundo macroscópico; hasta el punto de resultar totalmente contraintuitivas e inexplicables, enfrentándonos directamente con la concepción de la realidad que todos tenemos. Se trata de una de las grandes revoluciones científicas del último siglo, que sumerge a quien se acerca a estudiarla en un nuevo paradigma del mismo universo, mucho más insondable y misterioso, si cabe, que aquel que creíamos conocer.

El átomo

Ya vimos en el artículo anterior que el átomo está formado básicamente de un núcleo denso que contiene el 99% de la materia y de electrones que “orbitan” a su alrededor a una enorme distancia en un espacio vacío. Los electrones tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo atómico.

Las ondas son un patrón de movimiento que transfiere energía de un lugar a otro sin transferir materia. Existen diferentes tipos de ondas. Las ondas sonoras viajan por el aire y nos permiten escuchar el sonido. Las ondas de agua se mueven sobre el agua. Las ondas de luz se mueven en línea recta a través del espacio.

Podemos visualizar un lago de aguas tranquilas donde se reflejan como en un espejo unas montañas. Si lanzamos una piedra al lago, desde el punto donde caiga se producirán una serie de ondas que avanzarán uniformemente en todas direcciones. El agua que forma la onda no está en un lugar concreto sino que está en movimiento ondular y podemos saber la probabilidad de que esté en un punto en un momento determinado. De la misma forma, los electrones no pueden localizarse en un punto concreto del espacio sino que sólo podemos saber la probabilidad de que estén o no allí en cierto momento, puesto que su movimiento es ondular. Es lo que se denomina orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales forma la nube de electrones, que es la región ocupada por estas ondas.

Función de onda

Hemos visto como una partícula cuántica, en este caso un electrón, se comporta como una onda, que no es posible determinar un punto concreto del espacio donde estará. A esto se contrapone el concepto de partícula que, en el caso de aquel ejemplo, sería la piedra que tiramos al lago. La partícula tiene una ubicación definida en el espacio-tiempo y podemos, en definitiva, saber dónde "está". Bien, en el mundo que nosotros percibimos está claro que la piedra se comporta como “partícula” y el agua, en este caso, como “onda”. Pero, ¿sería posible que algo pudiera actuar como onda y como partícula?

Superposición y colapso

A la pregunta de si una partícula cuántica puede comportarse como onda y viceversa, la desconcertante respuesta es que si no medimos por dónde pasa, se comporta como una onda y pasa por todos los caminos a la vez (superposición de todos los caminos). Sin embargo, si observamos por dónde va, la partícula colapsa su función de onda y sólo pasará por uno de los dos caminos. Es como decir que si miramos una piedra que lanzamos ésta llegará a un punto concreto, pero si no lo hacemos llegará a todos los puntos posibles a la vez.

Es más, si medimos la partícula cuando ya ha tomado un camino o todos a la vez, aun después de haberlo ya “decidido”, ésta colapsa su función de onda. Si en un experimento hacemos que un fotón pueda pasar por varios caminos posibles a priori y no medimos por donde ha pasado, éste pasará por todos a la vez, y si lo medimos sólo lo hará por uno. Pero si lo medimos a mitad de esos caminos, donde el fotón ha debido ya “decidir” por dónde pasa, resulta que también pasará solo por uno.

Es totalmente incomprensible. Si un acontecimiento como es la medición influye en algo que ya ha pasado, como es la decisión de una partícula de ir por una ruta o por varias, es que de alguna manera el futuro influye en el pasado.

Dualidad onda partícula física cuántica

Si un experimento permite averiguar el camino seguido por un fotón, éste sólo va por un camino, mientras que si el experimento hace indistinguibles los caminos, el fotón sigue las dos rutas posibles a la vez. Esto sucede aunque midamos ya iniciado el experimento, lo que significa que el futuro influye en el pasado. 


Entrelazamiento

Ya sabemos que en los estados de superposición hay una partícula que interfiere consigo misma cuando tiene dos posibles caminos indistinguibles. ¿Qué son estados entrelazados? Son estados de superposición que involucran a dos o más partículas. Veamos: si en unas gafas polarizadas la dirección que puede tomar un fotón de luz que las atraviese se divide en dos y una sale verticalmente a la otra, en principio si no lo observamos no hay manera de saber cuál fotón de los dos resultantes saldrá en una dirección y cuál en la otra.

Ahora bien, al medir la polarización de uno de los fotones, mido también la del otro, por muy lejos que estén ya entre sí, aunque fuera a años-luz. Es decir, la medición de uno afectará instantáneamente al otro, aunque se efectúe estando el otro a una distancia tan grande que ni a la velocidad de la luz pudiera ya "informarse" al otro fotón. El entrelazamiento está por encima del espacio-tiempo. De alguna manera se viola el Principio de Localidad de Einstein, según el cual nada viaja más rápido que la luz.

Desigualdad de Bell

¿Desconcertante? Pues atentos a lo siguiente. Si bien los valores de las magnitudes que usamos en nuestro día a día cumplen una desigualdad (lo que conlleva que podríamos llegar a saber el resultado de un dado al aire si se analizaran todos los factores: peso del dado, velocidad del lanzamiento, fuerza con la que se lanza, inclinación del terreno en el que cae, etc; sí, es extremadamente difícil, pero teóricamente con un superordenador que reuniera todos los datos podría calcularse), resulta que en la mecánica cuántica es intrínsecamente imposible saber el resultado que se va a obtener (simplemente porque no existen datos que puedan introducirse en ese supuesto superordenador).

Un fotón tiene la misma probabilidad de atravesar un espejo semirreflector que de reflejarse en él. No se trata de que no conozcamos el valor de la magnitud. La mecánica cuántica afirma algo más radical: que no tiene un valor definido hasta que no la midamos.

Pensemos un momento: esto es tanto como decir que la realidad no existe hasta que no la observamos. Mientras no lo hagamos está en un estado de indefinición, es decir, sin valores definidos. Pues esta es la evidencia. Y la conclusión inmediata es que la conciencia crea la realidad, o sea, el observador. Mientras nadie vea un árbol, ese árbol no existe, pues únicamente se "realiza" al observarlo.

¿Es de locos? Einstein se negaba a aceptar la radical indeterminación de las magnitudes cuánticas antes de ser observadas. Se preguntaba si realmente la luna sólo existía si la miramos. Pensaba que debía haber otra explicación.

En 1964 John Bell publicó un trabajo en el que estableció la famosa desigualdad. La conclusión fue que las magnitudes no tienen valores definidos antes de que se midan. Y cuando se miden tiene que haber algún tipo de comunicación más rápida que la luz que explique las intensas correlaciones de las medidas (la medida de la polarización de un fotón afecta a la medida de la polarización de otro distante). La conclusión indudable es que se viola la desigualdad. Las magnitudes cuánticas están de tal modo ligadas que no cumplen la desigualdad de las magnitudes “normales”.

Por lo tanto no puede sostenerse la idea de un mundo completamente determinado. No podemos saber que la realidad exista ahí afuera cuando no la observamos. Las magnitudes permanecen en estado de indefinición hasta que las observamos, las medimos. Es decir, si bien nosotros a escala macroscópica observamos un mundo donde aparentemente todo está definido ahí afuera, aunque no lo estemos mirando, es innegable que lo que forma y constituye ese mundo que vemos, es decir, el mundo microscópico, no existe hasta que alguien o algo lo observa.

En segundo lugar hay que aceptar la “acción fantasmal a distancia”: lo que hagamos en una parte del sistema afecta instantáneamente a la otra parte del mismo, aunque ésta esté a años - luz de la primera (eso significa que hay algún tipo de comunicación más rápida que la luz entre los fotones entrelazados). Teóricamente yo puedo mirar un árbol y éste materializarse a una velocidad superior a la de la luz, con lo que sería incapaz de percibir que antes no estaba.

Las magnitudes no tienen un valor definido hasta que no las medimos. No podemos saber que la realidad exista ahí afuera cuando no la observamos. Y lo que hagamos con una parte del sistema afecta instantáneamente a la otra parte del mismo, aunque esté a años - luz. 


Decoherencia

Decoherencia es el nombre que recibe la pérdida de la superposición por el acoplamiento con un entorno con muchos grados de libertad. La decoherencia hace que el mundo que observamos sea clásico. Los estados de superposición de átomos se mantienen, por lo general, pequeñísimas fracciones de segundo, aunque en casos excepcionales pueden durar hasta unos pocos segundos: el átomo interactúa rápidamente con su entorno y la superposición se pierde. Es como si el propio entorno estuviera haciendo continuamente medidas y eso obliga al sistema a proyectarse a uno de los estados “clásicos”, perdiendo así su naturaleza cuántica. Las interacciones en el mundo son tan innumerables que la suma de ellas provocan una pérdida casi inmediata de la indefinición de los sistemas cuánticos.


El gato de Schrödinger

La famosa paradoja del gato fue formulada por Schrödinger, en 1935, para poner de manifiesto una supuesta contradicción de la mecánica cuántica, o de la interpretación ortodoxa (de Copenhague) de esta teoría. En una cámara cerrada hay un gato que puede estar vivo o muerto, como resultado de la presencia de un agente letal (como un frasco con gas venenoso) y de su vinculación a un evento subatómico aleatorio, que puede ocurrir o no. Según la interpretación de Copenhague, mientras nadie abra la caja el gato no está ni vivo ni muerto, sino en un estado cuántico que corresponde a una superposición de ambas. Schrödinger trata así de poner de manifiesto lo absurdo de la teoría pues, según él, el gato debía estar vivo o muerto. Una posible explicación a esa paradoja, aunque incompleta, sería, precisamente, la decoherencia: no tiene sentido considerar aislado a un sistema macroscópico ya que dicho sistema estaría necesariamente interactuando con su medio circundante. Así pues el fenómeno de la decoherencia hace irrelevantes este tipo de paradojas.


La mente del observador crea la realidad física cuántica

No es únicamente que sea imposible conocer la realidad cuántica hasta que no se mida, sino que ésta puede cambiar dependiendo de "quién" la mire. Por lo tanto, al menos en la mecánica cuántica, no existen hechos objetivos, mas bien los crea el observador.


La interpretación de los muchos mundos

La mecánica cuántica debería, si es una teoría completa, explicar la evolución de un sistema cerrado, que incluya al observador y su entorno. Surgiría entonces una superposición de dos estados de conciencia del observador. La “interpretación de los muchos mundos” afirma que en el proceso de observación cada una de las ramas se hace realidad en su correspondiente mundo. Si veo el gato vivo, hay otro “yo” en un mundo desconectado del primero que ve el gato muerto. La “interpretación de los muchos mundos” tiene especial relevancia al formular la teoría cuántica del universo, la llamada cosmología cuántica.

El profesor de física y astronomía de la Universidad de Pennsylvania Max Tegmark sostiene que, por extraña e inverosímil que nos pueda parecer la idea, todos tenemos un alter ego. El más conocido de los modelos cosmológicos actuales predice que tenemos un gemelo en una galaxia que se encuentra a una distancia de alrededor de 101028 metros de aquí. Este cálculo se deduce de nociones de probabilidad elemental, ni siquiera utiliza física moderna especulativa, sino tan sólo que el tamaño del espacio es lo bastante grande y está casi uniformemente lleno de materia. Y en un espacio infinito, incluso los hechos más improbables tienen lugar en algún sitio. Existirían, pues, infinitos planetas habitados que contendrían gente con el mismo aspecto, nombre y recuerdos que nosotros, y que ejecutarían cualquier permutación posible de las decisiones vitales que tomemos.

El problema de la medida

En la versión más actual de la interpretación ortodoxa, para la que se va extendiendo el nombre de “interpretación de la información cuántica”, el estado cuántico no es más que un elemento de información; el pretendido colapso tras una medida u observación es simplemente una forma de expresar el hecho de que tras dicha medida se tiene información nueva sobre el sistema. Es una solución satisfactoria a todos los efectos prácticos y funciona bien en todo dominio de aplicación de la mecánica cuántica, excepto cuando ésta se aplica al universo en su totalidad, es decir, a la cosmología cuántica.

Puntos de vista

Físicos de la Universidad de Heriot-Watt, en Escocia, idearon un experimento que involucró a cuatro observadores: Alice, Amy, Bob y Brian. No son personas, sino cuatro sofisticadas máquinas en un laboratorio. La prueba consistió en que Alice y Bob recibían un mensaje, que en este caso era un fotón. Luego Alice y Bob enviaban ese fotón a Amy y Brian, es decir, le transmitieron el mensaje. Sorprendentemente a pesar de que Alice y Bob enviaron la misma información a Amy y Brian, estos dos últimos tuvieron la posibilidad de interpretarlo de manera diferente. Es como si un mismo mensaje se transforma en el proceso de llegar de una persona a otra. Es decir, no es únicamente que a priori sea imposible conocer la realidad cuántica hasta que no se mida, sino que ésta puede cambiar dependiendo de "quién" las mire. Un mismo hecho no se ve de la misma manera por dos observadores. Habría que concluir, por lo tanto, que, al menos en la mecánica cuántica, no existen hechos objetivos, mas bien los crea el observador.

Información, muchos mundos o teoría de cuerdas

Hay actualmente muchas interpretaciones de la mecánica cuántica, pero parece haber casi total unanimidad en que las dos únicas interpretaciones que resisten el paso del tiempo son la de la información cuántica y la más osada de los muchos mundos. Ambas no son contradictorias, aunque la segunda de un enorme paso más allá: la exigencia, no observable directamente, pero con efectos indirectos, de universos - o historias de un multiuniverso - alternativos.

La teoría de cuerdas, por su parte, incorpora la “supersimetría”, una simetría abstracta que relaciona los dos tipos de partículas elementales: fermiones y bosones. Esta teoría ha de desarrollarse en un espacio-tiempo de 10 dimensiones. Nueve espaciales y una temporal. Las cuerdas, cuya longitud se supone que es del orden de la longitud de Planck (10-35m), son los constituyentes mínimos, irreductibles, de la materia.

Véase nuestro anterior artículo titulado ¿Qué lugar ocupamos en el universo?.

Las dos únicas interpretaciones que resisten el paso del tiempo son la de la información cuántica (el estado cuántico es un elemento de información y el colapso, tras una medida, es nueva información) y la de los muchos mundos (que implica universos alternativos, no observables directamente pero con efectos indirectos de los unos en los otros).

Como vemos, la física cuántica nos enfrenta a cuestiones que nos sobrepasan. ¿Es la realidad en el fondo - al nivel más profundo - información? ¿Existen multitud de universos paralelos en los que vivimos innumerables "yo" distintas realidades, al mismo tiempo pero que se influyen indirectamente? ¿O quizás existe únicamente este universo pero se compone de nueve dimensiones espaciales de la que únicamente percibimos una, y en el que el futuro influye en el pasado? ¿Dónde está, si la hay, la frontera entre el mundo cuántico y el clásico? Sin embargo si, como está demostrado, la conciencia crea la realidad, lo más importante que debemos plantearnos es: ¿Qué es la conciencia? y ¿qué es la realidad? Son preguntas inquietantes, desde luego, y las respuestas, si alguna vez las llegamos a conocer, probablemente lo serán aún más.

 En un próximo artículo abordaremos las apasionantes cuestiones de las implicaciones de la física cuántica en nuestra realidad "macroscópica" y las teorías acerca de la "metafísica" cuántica y las respuestas que ésta puede ofrecer a las clásicas preguntas de la filosofía universal: ¿qué es el ser? ¿qué es la realidad?

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