8.- LO CUÁNTICO

1.- Introducción

Vamos a referirnos, aunque sea muy brevemente, al comportamiento de la Naturaleza al nivel de las partículas elementales, lo que se conoce como mecánica cuántica.

En el comienzo, en lo que se conoce como la época de planck, en los primeros 10 elevado a menos 43 segundos, todo tenía un comportamiento cuántico. Los físicos aun no tienen, ni tendrán, una explicación adecuada de cómo pasó el universo de una fluctuación cuántica a una estructura a gran escala como la de hoy. Se ha escrito que “el origen del universo es, y será siempre, un misterio”. Ciertamente, es muy difícil imaginar una teoría en la que el universo se origina a partir de la nada absoluta, aunque la ciencia, hoy, no tiene un concepto consensuado de lo que podría ser la nada. Por otra parte, está el problema de las constantes fundamental, que gobiernan la Naturaleza, que surgieron en el comienzo (¿quién las creó?). y que son de inexcusable cumplimiento, lo que nos hace pensar que haya un orden más profundo y oculto tras esa aparente oscuridad. Lo que parece cierto, es, como dice Hawking, que “para entender las condiciones iniciales del universo tenemos que dirigirnos a la mecánica cuántica, ya que un estado inicial cuántico determinó las condiciones que permitieron poder alcanzar el universo que hoy conocemos”.

2.- El misterio cuántico

Getrude Stein (escritora americana, (1874 – 1946) decía del arte moderno: “Un cuadro puede parecernos extraordinariamente extraño y al cabo de algún tiempo no solo no parecer extraño sino que es imposible encontrar que había de extraño en él”. En física cuántica no es así, cuanto más tiempo uno la mira, más extraña se hace. De aquí surge el término coloquial de “misterio cuántico”. Un ejemplo de su rareza: ¿cómo es posible que las partículas elementales puedan comportarse a la vez como partículas y como ondas, y, que, además, puedan saltar de un lugar a otro sin atravesar el espacio interpuesto? La mayoría de los fundamentos lógicos de la física clásica se violan en el dominio cuántico

La mecánica cuántica es un marco conceptual, pero probado, que sirve para entender las propiedades microscópicas del universo. La mecánica cuántica revela que el universo, cuando se examina a escalas de distancias atómicas o subatómicas, tiene unas propiedades asombrosas. Tan asombrosas que Richard Feynman, uno de los más grandes expertos en mecánica cuántica, escribió: “... creo que puedo afirmar, sin riesgo a equivocarme, que nadie comprende la mecánica cuántica”. Aunque Feynman expresó esta opinión en 1965, hoy en día sigue siendo igualmente válida. Así como la relatividad de Einstein ha sido comprendida plenamente por los físicos competentes, son pocas las personas, si es que las hay, que comprendan la mecánica cuántica a nivel profundo. Pero a pesar de todo esta ambivalencia, la teoría cuántica es fabulosamente precisa en todas sus predicciones sobre el funcionamiento de los mundos atómicos y subatómicos.

¿Significa esto que a nivel microscópico el universo funciona de una manera tan extraña que la mente humana es incapaz de comprender plenamente su comportamiento? Hasta hoy nadie lo sabe. Lo único que sabemos con certeza es que la mecánica cuántica nos muestra, de una manera absoluta e inequívoca, que ciertos conceptos básicos, esenciales para nuestro conocimiento en el entorno cotidiano, no tienen significado cuando nuestro centro de interés se limita al ámbito de lo microscópico.

3.- Ondas o partículas

De los experimentos de Thomas Young a principios del siglo XIX, con las pantallas con ranuras, de los que solo vamos a referir los resultados, se sacaron los siguiente y extraños comportamientos de las partículas elementales.

Tanto si en los experimentos se utilizan fotones como electrones, las conclusiones a las que se llegan son que, tanto en un caso como en el otro, ambos se comportan como si tuvieran las propiedades de las partículas y de las ondas al mismo tiempo. Es como si el mundo microscópico nos exigiera que abandonemos la idea intuitiva de que una cosa es o bien una partícula o una onda, y aceptemos la posibilidad de que sean ambas cosas a la vez.

Como hemos señalado, esta condición se da tanto en la prueba con fotones, donde parece más comprensible este fenómeno, como en la prueba con electrones, que le incorpora una característica similar a la de las ondas, conjuntamente con su definición más habitual como partícula. Esto es lo que hace que nos formulemos la pregunta: ¿Ondas de qué? La respuesta, que está respaldada por una cantidad enorme de datos experimentales, es la sugerencia del físico Born que afirmó que cada electrón o fotón lleva asociada un cierto tipo de onda, que denomina función de onda, y que, además, afecta a su determinación espacial, posición que habrá que determinarla desde el punto de vista de la probabilidad. Esto se refiere a que las ondas crean en la partícula un estado vibratorio que hacen que, en cada instante, el lugar donde se encuentra la partícula será aquel en que la magnitud de la onda es mayor. Opiniones científicas más recientes, para intentar dar una explicación más razonable a la dualidad onda – partícula, afirman, como expone en su libro, Los conejos de Schrödinger, Colin Bruce, que las partículas elementales que se desplazan van acompañadas de una onda piloto que guía el movimiento sutil de la partícula, y solo cuando choca contra algo asumen, de nuevo, sus características de objeto puntiforme. En lo que respecta a los fotones, por ejemplo, en el momento de ser creados por la emisión de energía, surge, con ellos, la onda piloto que les acompaña en su trayectoria. Cuando un fotón choca con un objeto y es absorbido, cede su energía en ese punto de contacto y la onda piloto desaparece; se pierde en el espacio infinito.

Schrödinger determinó matemáticamente, de forma precisa, una fórmula para la interpretación probabilística. Con ella se pueden realizar predicciones, asombrosamente exactas, en lo que se llama funciones de ondas. Consecuencia de todo ello es que, de acuerdo con la mecánica cuántica, el universo evoluciona según un formulismo matemático rigurosamente exacto y preciso. Pero este formulismo solo determina la probabilidad de que se llegue a un resultado concreto, pero sin fijar exactamente el instante en que se produzca ese resultado.

Según estos principios, otro experimento curioso realizado con las rendijas del dispositivo de Young, y conocido por el experimento de la doble rendija, es que cuando se hace pasar un electrón a través de la rendija de la derecha, el electrón no debería preocuparse de que haya también otra rendija a la izquierda, y viceversa. Pero, de alguna manera, lo hace. El espectro que se obtiene de este experimento, es que aunque se disparen los electrones de uno en uno, el electrón es sensible a ambas rendijas. La explicación que dan los físicos es que la onda de probabilidad, o en otro caso, la onda piloto que le guía en su trayectoria, ve ambas rendijas. La experiencia confirma que cada electrón que se abre paso hacia la pantalla fosforescente situada detrás de las ranuras, actúa como si atravesara realmente ambas rendijas a la vez.

Esto es realmente muy extraño. Para concretar más lo relacionado con este experimento, diremos que cuando intentamos detectar un electrón, éste se comporta como una partícula. Pero si no le estamos observado, se comporta como una onda. Cuando miramos cual de los dos orificios atraviesa, lo hace por uno solo de ellos, como si el otro no existiera . Pero cuando no observamos el paso del electrón, de algún modo sabe de la existencia de los dos orificios, y actúa como si atravesara los dos a la vez.

Los físicos cuánticos han encontrado la manera de poner esto en palabras (dar una explicación) con la función de ondas que ya hemos mencionado. Cuando observamos un electrón o lo medimos con un detector de partículas, la función de ondas se colapsa. En ese instante, la posición del electrón se conoce con la precisión que permiten las leyes fundamentales, y el electrón tiene un componente que podemos considerar como una partícula, al pasar sólo por una de las rendijas. Pero si no se le observa, al no colapsarse la función de ondas, actúa como si pasara por las dos rendijas a la vez, esto es, como si fuera un onda.

Por otro lado, es interesante añadir que los electrones, en un sentido más profundo que cualquiera otra de las partículas de producción de masa del mundo corriente, son indistinguibles. Esto quiere decir que si disparásemos dos electrones a la vez en el experimento de Young, aunque los dos llegaran a la pantalla fosforescente a través de las ranuras, no existe manera de saber cual es cual. Esto sucede de manera igual con los electrones de un átomo, salvo por el spin; que podríamos distinguirlos. Feynman, a este respecto escribió lo siguiente: “La mecánica cuántica describe la Naturaleza como algo absurdo desde el punto de vista del sentido común. Pero concuerda plenamente con las pruebas experimentales. Por tanto, espero que ustedes puedan aceptar a la Naturaleza tal como es: absurda”.

Hay otro aspecto, más interesante, que marca la diferencia entre el razonamiento cuántico y clásico. Se trata del principio de incertidumbre, que se basa en la particularidad de que a nivel cuántico, al hacer una medición sobre una partícula, un electrón, por ejemplo, a ese nivel infinitesimal, la medición afecta a las condiciones del electrón en el instante en que se hace la medición, velocidad o posición, por lo que no es posible conocer al mismo tiempo ambas características con total precisión. Además, cuanto mayor es la precisión con que se intenta conocer una de ellas, menor es la precisión con que conoceremos la otra. Aunque hemos hablado de electrones, estas leyes se cumplen con todos los componentes infinitesimales de la Naturaleza. Por consiguiente, según la mecánica cuántica, cada vez que las partículas subatómicas participan en interacciones, el resultado depende del azar, por lo que el principio de incertidumbre nunca se `podrá demostrar experimentalmente, a pesar de que su realidad está comprobada con resultados obtenidos con posterioridad a su conocimiento.

De hecho, si pudiéramos capturar un electrón en una caja amplia y sólida, y luego aplastásemos los laterales de la caja con el fin de precisar la posición del electrón con mayor exactitud, el electrón se revelaría contra nuestros propósitos, y nos encontraríamos con que se pone más y más frenético, casi como si tuviera un ataque de claustrofobia. El electrón se volvería cada vez más loco y rebotaría contra las paredes de la caja con una velocidad más frenética e impredecible. Este tipo de claustrofobia cuántica es una característica general en el ámbito de lo microscópico.

Lo que nos dice el principio de incertidumbre es que el universo , a nivel cuántico, es un lugar frenético cuando se intenta examinar a distancia cada vez más cortas y a escalas de tiempo cada vez más breves. Y que, aunque parezca imposible, a escalas microscópicas, el universo, todo él, es un ámbito frenético y caótico, donde si una fluctuación de energía es lo suficiente grande puede ocasionar, instantáneamente, por ejemplo, que se cree un electrón y su antipartícula, el positrón, ¡incluso si la región estaba inicialmente vacía!, para aniquilarse mutuamente al cabo de un instante, emitiendo la energía que habían tomado prestada para su creación. (Tengamos en cuenta que según la fórmula de Einstein e = m por c elevado al cuadrado, energía y masa son la misma cosa). Lo anterior, nos permite pensar que el big bang pudiera haber tenido su origen como consecuencia de un estado inicial cuántico de altísima energía, como parece que así fue.

No obstante, se ha avanzado mucho en la comprensión de los fenómenos del mundo cuántico. Como hemos dicho, las partículas pueden tener un comportamiento ondulatorio o corpuscular. Estos comportamientos esquizofrénicos solo son explicables si la energía posee ciertas propiedades revolucionarias. En primer lugar, la energía está cuantizada; en los átomos no toma todos los valores posibles entre dos determinados, sino unos valores concretos cuya separación, entre dos concretos, está determinada por el valor de una constante de la Naturaleza, denominada constante o cuanto de acción de planck, representado por la letra h y cuyo valor es 6’5 por 10 elevado a -27 erg / seg[1]. En segundo lugar, todas las partículas poseen un aspecto ondulatorio. Se comportan como ondas, con una longitud de onda cuántica que es inversamente proporcional a su masa y su velocidad. Cuando dicha longitud de onda cuántica es mucho menor que el tamaño físico de la partícula, ésta se comportará como una simple partícula. Pero cuando la longitud de la onda cuántica se hace al menos tan grande como el tamaño de la partícula, entonces los aspectos cuánticos ondulatorios empezarán a ser importantes y dominarán el comportamiento de la partícula. Típicamente, lo que sucede es que a medida que aumenta la masa de los objetos sus longitudes de ondas cuánticas es como si se contrajeran para hacerse mucho menores que sus dimensiones físicas, y se comportan de una forma no – cuántica o clásica; como simples partículas.

Gracias a estas propiedades que hemos enumerado más arriba se consigue la estabilidad del mundo. Si los átomos fueran como pequeños sistemas solares en los que un electrón (por referirnos al átomo de hidrógeno) pudiera orbitar alrededor de un único protón con cualquier energía posible, y, por tanto, sin hacerlo en un orbital fijo que, como consecuencia, se corresponde con una energía determinada, el resultado de este estado de cosas nos llevaría a que los átomos de hidrógeno serían diferentes al poder moverse sus electrones en cualquier orbital. El cuanto nos lleva a esto: El electrón solo puede ocupar, en cualquier átomo, orbitales concretos alrededor del núcleo, con energías determinadas. Los átomos sólo pueden existir en ciertos estados definidos, con configuraciones estables que, a su vez, tienen una energía definida (según propuso Bohr en 1913). Para que cambie la estructura del átomo, éste debe se golpeado por un numero adecuado de cuantos enteros de energía. No puede simplemente deslizarse a un nuevo estado de energía que esté arbitrariamente próximo al antiguo. La estabilidad y la uniformidad que soporta la vida en el mundo que nos rodea está en la cuantización, a nivel de las partículas elementales, de las energías atómicas en una escala de valores separados, en el mundo cuántico no existe una escala progresiva de valores.

Por otro lado, una de las consecuencias más espectaculares del carácter ondulatorio de las partículas elementales es la que da origen al Principio de Incertidumbre de Heisenberg, ya que si la materia estuviera compuesta de partículas minúsculas, como perdigones, podríamos decir inequívocamente que una partícula está en una o en otra mitad de la caja que las contiene. En el caso de una onda, la respuesta a la pregunta ¿dónde está? no es tan evidente. La onda llena la caja entera.

Con lo expuesto hasta aquí, y como ya hemos indicado en varias ocasiones, La mecánica cuántica tiene un comportamiento que se sale del que conocemos como habitual.



[1] La constante de Planck es la relación entre la energía de una partícula y su frecuencia de vibración : h=E/f.

BIBLIOGRAFÍA

Barrow, J. D. (2001). El libro de la nada. (García. J. Trad.). Barcelona: Ed. Crítica. (Trabajo original publicado en 2000).

Bruce, C. (2008). Los conejos de Schrödinger. (Sarret, J. Trad.). Barcelona: Ed. Biblioteca Buridán. (Trabajo original publicado en 2004).

Ferris, T. (1998). Informe sobre el universo. (García, J. Trad.). Barcelona: Ed.Crítica. (Trabajo original publicado en 1997).

Feynman, R. (1971). Física (tres volúmenes). Ed. bilingüe por Fondo Educativo Interamericano. (Trabajo original publicado en 1963).