"La Mecánica Cuántica nos dice que sólo podemos conocer a priori
la probabilidad de que ocurra un suceso y no podemos saber con absoluta certeza lo que ocurrirá en una medida particular.
En otras palabras, la MC rompe con el determinismo, que es un ingrediente fundamental de toda la física clásica.
Por ejemplo, las leyes de Newton son un ejemplo de teoría determinista
que nos permite predecir con exactitud dónde estará la luna mañana,
sabiendo su posición actual. "
Empecemos por una de las preguntas clásicas,
¿dónde empieza el mundo cuántico o dónde termina el mundo de la Física clásica, el mundo de lo macro?
Bueno, la frontera es un poco difusa.
Normalmente lo que se dice es que la Mecánica Cuántica describe el mundo microscópico, el mundo de los constituyentes últimos de la Materia.
Sin embargo, algunos efectos cuánticos sobreviven a escala macroscópica.
De hecho, sin la Mecánica Cuántica no podríamos explicar el color de esta mesa, por qué no conduce la electricidad o por qué el cristal de una ventana
es transparente.
En otras palabras, la Mecánica Cuántica es necesaria para explicar todas las propiedades de la materia, incluso a escala macroscópica.
De todos modos, los efectos cuánticos más genuinos, es decir, más alejados del mundo clásico, tienen lugar en la escala de átomos y moléculas individuales y por debajo: núcleos atómicos y partículas elementales.
Así que, de forma no muy precisa, uno podría decir que la frontera está en el mundo de los átomos y las moléculas.
Cuando uno empieza a combinar estos objetos, por ejemplo para formar un sólido, gran parte de los fenómenos cuánticos desaparecen para dejar paso al mundo clásico.
Pero lo cierto es que sí debe haber una frontera cuando, al traspasarla, nuestra percepción de lo que vemos cambia completamente…
Sí, sin duda.
Cuando comparamos los mundos puramente clásico y cuántico existen grandes diferencias.
Casi todas ellas tienen que ver con el hecho que se descubrió a comienzos del siglo XX de que las partículas materiales también pueden comportarse como una onda, algo que nos resulta muy extraño ya que estamos acostumbrados a pensar en las partículas como si fueran bolas de billar.
El comportamiento ondulatorio de la materia se establece en los años viente del siglo pasado y fue crucial para guiar a los padres de la Mecánica Cuántica en el desarrollo cuantitativo (o matemático) de la teoría.
Previamente, en las dos primeras décadas de dicho siglo, el análisis y comprensión
de fenómenos como la radiación térmica o el efecto fotoeléctrico ayudaron
a establecer el carácter corpuscular (o de partícula), aparte del ondulatorio, de la radiación electromagnética y, en particular, de la luz.
En otras palabras, en esa época se estableció que la luz está formada por partículas que hoy conocemos con el nombre de fotones.
Todo esto condujo de manera natural, y por cuestiones de simetría, a postular que la materia también debería exhibir esa dualidad onda-partícula, lo que fue confirmado experimentalmente a finales de los años 1920.
El otro gran problema que guía el desarrollo de la Mecánica Cuántica es el de la estructura del átomo y, en general, el de la estructura de la Materia, que fue uno de los grandes retos de la física del siglo XX.
Como he dicho anteriormente, algunas propiedades cuánticas son visibles en el mundo macroscópico.
Después de todo, cualquier propiedad de la Materia, incluidas aquellas de los cuerpos macroscópicos, viene descrita por la Mecánica Cuántica (MC).
Únicamente esta teoría nos proporciona una explicación satisfactoria de cosas tan mundanas como, por ejemplo, las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de sólidos macroscópicos. Insisto, incluso el simple hecho de que un cristal de una ventana sea transparente no puede explicarse sin acudir a la MC.
Bueno, en pocas palabras, esto tiene que ver con el comportamiento de los electrones en el interior de un sólido.
En el caso de un metal, los electrones se pueden mover casi libremente por todo el sólido, lo que hace que puedan absorber fácilmente radiación de diversas longitudes de onda, incluida la luz visible (lo que hace que un metal sea opaco).
En cambio, en el vidrio los electrones están fuertemente localizados alrededor de los átomos, lo que hace que no puedan absorber radiación como la luz visible, lo que en la práctica les convierte en transparentes.
Volviendo a los fenómenos cuánticos a escala macroscópica, existen algunos que sobreviven a esta escala y que no tienen un análogo clásico.
Un buen ejemplo es un material superconductor, como el aluminio o el plomo a muy bajas temperaturas.
Estos materiales son capaces de transportar la corriente eléctrica sin disipar ninguna energía (sin resistencia).
Sería genial tener superconductores a temperatura ambiente (algo que aún no es posible), lo cual supondría, en particular, que nuestro recibo de la luz sería mucho más barato. J
Lo que ocurre en estos materiales es que los electrones forman lo que se llama un condensado de Bose-Einstein, en el que todos ellos se mueven de forma coherente en un mismo estado cuántico, es decir, el conjunto de electrones viene descrito por una única onda de materia de tamaño macroscópico.
Este conjunto de electrones forman entonces un “superfluido” que es capaz de moverse por el material sin resistencia alguna.
Hoy en día, tratamos de fabricar otros sistemas macroscópicos que exhiban un comportamiento puramente cuántico para desarrollar nuevas aplicaciones tecnológicas.
Eso es por ejemplo lo que se está haciendo en campos de investigación como la computación cuántica o la información cuántica, donde el objetivo es fabricar sistemas cuánticos con aplicaciones en computación, encriptación, telecomunicaciones, etc.
¿Puedes explicar esa inexplicable paradoja que supone el que, mediante el mero hecho de la observación, podemos alterar el propio objeto o fenómeno que observamos?
Uff, lo puedo intentar al menos, aunque no es fácil de comprender. Como decía Richard Feynman, uno de los grandes físicos del siglo XX, quien diga que entiende la Física Cuántica miente (como un bellaco, me permito añadir) …
Uno se acostumbra a las ideas de la MC. En realidad así es como crecemos. Uno se acostumbra y termina por asimilar las ideas…
El papel especial que juega el observador en la MC tiene que ver con el carácter ondulatorio de la materia que comentaba antes.
Este carácter permite que los objetos materiales estén en una combinación o superposición de estados, lo que no es posible en el mundo clásico.
En el mundo clásico las cosas están en un estado bien definido, blanco o negro, vivo o muerto …
En cambio, la MC nos dice que un objeto puede estar simultáneamente en varios estados y sólo cuando medimos u observamos dicho objeto, se selecciona uno de esos estados.
Quizá pueda explicar esto en más detalle con el famoso experimento mental del gato de Schrödinger.
Brevemente, supongamos que tenemos en el interior de una caja cerrada un gato y una pistola cargada apuntándolo.
Supongamos que la pistola puede ser disparada mediante un dispositivo que se activa por el paso de una partícula alfa, resultado de la desintegración de un átomo radiactivo, que es un fenómeno estocástico descrito por la MC.
Supongamos, además, que el átomo tiene una probabilidad del 50% de desintegrarse en una hora.
Evidentemente, al cabo de una hora habrá tenido lugar uno de los dos sucesos posibles: el átomo se habrá desintegrado y como consecuencia el gato habrá muerto, o el átomo no se habrá desintegrado y el gato seguirá vivo.
La MC nos dice que en esta situación el gato puede estar en una combinación de “gato vivo” y “gato muerto”, es decir, puede estar a la vez vivo y muerto, y la única forma de averiguar lo que ha sucedido es realizar una medida: abrir la caja y mirar dentro.
En ese instante el observador interactúa con el sistema, rompe la superposición de estados y se selecciona uno de ellos (gato vivo o gato muerto) con una probabilidad del 50%.
Esto suena muy extraño y nuestro sentido común nos dice que el gato no puede estar vivo y muerto a la vez.
Sin embargo, la MC nos dice que antes de la observación ambos estados son posibles simultáneamente.
Este ejemplo además ilustra otro hecho fundamental. La MC nos dice que sólo podemos conocer a priori la probabilidad de que ocurra un suceso y no podemos saber con absoluta certeza lo que ocurrirá en una medida particular.
En otras palabras, la MC rompe con el determinismo, que es un ingrediente fundamental de toda la física clásica. Por ejemplo, las leyes de Newton son un ejemplo de teoría determinista que nos permite, por ejemplo, predecir con exactitud dónde estará la luna mañana, sabiendo su posición actual.
¿Ese indeterminismo forma parte esencial de la Naturaleza?
¿O es más bien un estadio del conocimiento que, eventualmente, cambiará cuando profundicemos más en nuestro conocimiento de la Materia?
La MC nos dice que eso es algo intrínseco de la Naturaleza y no meramente una limitación de carácter técnico.
Este hecho nos puede resultar un tanto desagradable y, de hecho, fue el motivo para el rechazo de la MC por parte de físicos tan notables como el propio Albert Einstein, quien se opuso a esta teoría diciendo aquello de que
“Dios no juega a los dados”.
Sin embargo, la visión propuesta por la MC es la que finalmente se ha impuesto gracias a las numerosas confirmaciones experimentales de esta teoría.
¿Y cuáles son las implicaciones de la falta de determinismo?
¿Qué posición puede tener el científico ante esta realidad?
Bueno, al principio esta rotura con el determinismo de la MC resulta desagradable.
Después de todo, dicha rotura supone reconocer en parte que no podemos predecir con total precisión cómo va a comportarse la naturaleza.
Eso es difícil de aceptar.
El determinismo ha sido tradicionalmente algo inherente a la Ciencia, y a la Física en particular, y en buena medida su prestigio se debe a ello.
No creo que, por ejemplo, Isaac Newton hubiera tenido el impacto que tuvo en la sociedades del siglo XVII y XVIII, si su teoría de la gravitación no hubiera sido determinista.
En fin, supongo que nuestra posición debe ser la de aceptar la Naturaleza tal y como es y vivir con ello.
Pero qué extraño que podamos prever qué sucederá en lo macro y no podamos hacer lo mismo para lo micro…
Son como dos mundos paralelos
A veces da esa impresión, aunque la MC aspira a dar una descripción unificada de todos los fenómenos físicos, incluidos los del mundo macroscópico.
Afortunadamente, desde el desarrollo de la MC hasta nuestros días hemos aprendido mucho de la conexión entre esos dos mundos.
Esa conexión tiene mucho que ver con lo que se conoce con el nombre de decoherencia.
Intentaré explicar este concepto con una analogía.
Supongamos que dejamos caer un objeto (como una pelota) en el interior de una piscina.
Sabemos que eso va a provocar la formación de una pequeña onda que se puede expandir por la piscina.
Si esta onda no encuentra ningún obstáculo, seguirá siendo bastante regular y puede dar lugar a fenómenos de interferencia.
Si por el contrario, la onda se encuentra a su paso con obstáculos como bañistas, pronto la onda perderá su regularidad (su coherencia) y con ella su capacidad de dar lugar a los típicos efectos ondulatorios.
La decoherencia es precisamente esta pérdida de la regularidad o de la coherencia de la onda por interacción con otros agentes.
Lo mismo ocurre con las partículas cuando interactúan con otras, como los electrones en el interior de un sólido.
Aisladamente tienen la capacidad de dar lugar a fenómenos de interferencia puramente cuánticos, debido a su carácter ondulatorio.
Sin embargo, cuando empiezan a interactuar con otras partículas, esas propiedades cuánticas se empiezan a “deteriorar” y las partículas comienzan a comportarse de una forma más clásica.
Esto hace que los agregados de partículas que forman los objetos macroscópicos se comporten al final de una forma que puede ser descrita por leyes clásicas, aunque como he dicho antes, algunas propiedades cuánticas pueden sobrevivir a escala macroscópica.
Sí, es una asignatura del primer curso del Grado en Física que hemos introducido con el nuevo Plan de Bolonia.
La idea es introducir a los alumnos a la Física del siglo XX, es decir, a la Relatividad, a la MC y a todas sus aplicaciones relacionadas con la estructura de la materia (desde la Física del Sólido hasta la Física de Partículas).
Habitualmente, cuando uno escoge estudiar Física es porque le atrae la Astrofísica, la Física de Partículas, etc.
Sin embargo, tradicionalmente estas materias no se estudiaban hasta los últimos años de la carrera, con lo cual el estudiante tenía que hacer una pequeña travesía del desierto, llena de mucha física del siglo XIX y matemáticas, hasta llegar a la parte más jugosa.
Lo que pretendemos con esta asignatura es acortar un poco el viaje y motivar a los nuevos estudiantes mostrándoles la física fascinante que les espera y que se está haciendo hoy en día.
Sí, siempre ayuda y más cuando uno trata de explicar teorías como la MC, cuyo aparato matemático no es sencillo para un estudiante de primer curso.
Nuestro objetivo es acercarles, en particular, la MC, de la cual, desgraciadamente, no han visto demasiado en el Bachillerato.
Es realmente una lástima.
Después de todo, la MC proporciona la visión más completa que posee el ser humano de la Realidad y, por tanto, nos ayuda a conocernos a nosotros mismos.
En este sentido, la MC debería formar parte de la educación básica de un estudiante de secundaria.
Bueno, la MC es la teoría más satisfactoria que poseemos para explicar todo lo que nos rodea, desde el origen del Universo (el Big Bang) hasta el surgimiento de la vida en nuestro planeta.
En este sentido, la MC nos ayuda a comprender nuestro entorno, nuestro origen, nuestro futuro y, por tanto, a nosotros mismos.
La Física que se hace hoy en día, y en particular es fundamentalmente Física cuántica.
La MC está detrás de la mayor parte de la investigación que hacemos, tanto teórica como experimental.
Los aceleradores son quizás las instalaciones más espectaculares que poseemos para investigar el mundo microscópico, pero no son las únicas.
También poseemos herramientas como, por ejemplo, el microscopio de efecto túnel (Scanning tunneling Microscope STM) que nos permite explorar la materia a escala atómica e incluso fabricar estructuras funcionales de tamaño nanométrico.
Si reducimos la escala, tenemos la Física Atómica y Molecular, que hoy en día pertenece más bien a la Química.
Si reducimos aún más las dimensiones, nos encontramos con la Física Nuclear y la Física de Partículas, que estudian tanto teórica como experimentalmente.
Bueno, soy un físico teórico que acostumbra colaborar con colegas experimentales.
Quiero incidir en algo que dije antes.
La gente está ávida por conocer el entorno en el que vive y en responder a preguntas como de dónde venimos.
Conocer la respuesta a algunas de estas preguntas nos convierte en seres más conscientes, con mayor capacidad crítica y, por tanto, en seres más libres.
En este sentido, creo que sería importante hacer un esfuerzo para dar a conocer las ideas básicas de la MC, que probablemente proporciona la visión más completa que tiene el ser humano de nuestro universo.
Este esfuerzo debería hacerse tanto a nivel de la educación secundaria como también fuera de los ámbitos académicos para satisfacer la demanda de conocimiento del público en general.
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