Seis cosas que todo el mundo debería saber sobre la física cuántica

La física cuántica suele intimidar desde el principio. Es algo extraña y puede parecer contraintuitiva, incluso para los físicos que se ocupan de ella a diario. Pero no es incomprensible. Si estás leyendo algo sobre física cuántica, hay realmente seis conceptos clave sobre ella que debes tener en cuenta. Hazlo y verás que la física cuántica es mucho más fácil de entender.

Todo está hecho de ondas; también de partículas

Hay muchos lugares donde empezar este tipo de discusión, y este es tan bueno como cualquiera: todo en el universo tiene naturaleza de partícula y de onda, al mismo tiempo. Hay una frase en la duología fantástica de Greg Bear (The Infinity Concerto y The Serpent Mage), en la que un personaje que describe los fundamentos de la magia dice: «Todo son ondas, sin que nada se agite, a ninguna distancia». Siempre me ha gustado mucho eso como descripción poética de la física cuántica… en el fondo, todo en el universo tiene naturaleza de onda.

Por supuesto, todo en el universo también tiene naturaleza de partícula. Esto parece una completa locura, pero es un hecho experimental, elaborado por un proceso sorprendentemente familiar:

(también hay una versión animada de esto que hice para TED-Ed).

Por supuesto, describir objetos reales como partículas y ondas es necesariamente algo impreciso. Hablando con propiedad, los objetos descritos por la física cuántica no son ni partículas ni ondas, sino una tercera categoría que comparte algunas propiedades de las ondas (una frecuencia y longitud de onda características, cierta dispersión en el espacio) y algunas propiedades de las partículas (son generalmente contables y pueden ser localizadas hasta cierto punto). Esto lleva a un animado debate dentro de la comunidad educativa de la física sobre si es realmente apropiado hablar de la luz como una partícula en los cursos de introducción a la física; no porque haya ninguna controversia sobre si la luz tiene alguna naturaleza de partícula, sino porque llamar a los fotones «partículas» en lugar de «excitaciones de un campo cuántico» podría llevar a algunos conceptos erróneos de los estudiantes. Tiendo a no estar de acuerdo con esto, porque se podrían plantear muchas de las mismas preocupaciones sobre llamar a los electrones «partículas», pero da pie a una fuente fiable de conversaciones en el blog.

Esta naturaleza de «puerta número tres» de los objetos cuánticos se refleja en el lenguaje a veces confuso que los físicos utilizan para hablar de los fenómenos cuánticos. El bosón de Higgs fue descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones como una partícula, pero también se oye a los físicos hablar del «campo de Higgs» como algo deslocalizado que llena todo el espacio. Esto sucede porque en algunas circunstancias, como en los experimentos del colisionador, es más conveniente hablar de las excitaciones del campo de Higgs de forma que se enfaticen las características de partícula, mientras que en otras circunstancias, como la discusión general de por qué ciertas partículas tienen masa, es más conveniente hablar de la física en términos de interacciones con un campo cuántico que llena el universo. Es sólo un lenguaje diferente que describe el mismo objeto matemático.

La física cuántica es discreta

Está ahí mismo en el nombre: la palabra «quantum» viene del latín para «cuánto» y refleja el hecho de que los modelos cuánticos siempre implican algo que viene en cantidades discretas. La energía contenida en un campo cuántico viene en múltiplos enteros de alguna energía fundamental. En el caso de la luz, esto se asocia con la frecuencia y la longitud de onda de la luz -la luz de alta frecuencia y corta longitud de onda tiene una energía característica grande, mientras que la luz de baja frecuencia y larga longitud de onda tiene una energía característica pequeña-.

En ambos casos, sin embargo, la energía total contenida en un campo de luz particular es un múltiplo entero de esa energía -1, 2, 14, 137 veces- nunca una fracción extraña como uno y medio, π, o la raíz cuadrada de dos. Esta propiedad también se observa en los niveles de energía discretos de los átomos y en las bandas de energía de los sólidos: se permiten ciertos valores de energía y otros no. Los relojes atómicos funcionan gracias a la discreción de la física cuántica, utilizando la frecuencia de la luz asociada a una transición entre dos estados permitidos en el cesio para mantener el tiempo a un nivel que requiere el tan discutido «segundo bisiesto» añadido la semana pasada.

La espectroscopia ultraprecisa también puede utilizarse para buscar cosas como la materia oscura, y es parte de la motivación para un instituto de física fundamental de baja energía.

Esto no siempre es obvio – incluso algunas cosas que son fundamentalmente cuánticas, como la radiación del cuerpo negro, parecen implicar distribuciones continuas. Pero siempre hay una especie de granularidad en la realidad subyacente si se profundiza en las matemáticas, y eso es una gran parte de lo que lleva a la rareza de la teoría.

La física cuántica es probabilística

Uno de los aspectos más sorprendentes e (históricamente, al menos) controvertidos de la física cuántica es que es imposible predecir con certeza el resultado de un único experimento sobre un sistema cuántico. Cuando los físicos predicen el resultado de algún experimento, la predicción siempre toma la forma de una probabilidad para encontrar cada uno de los posibles resultados particulares, y las comparaciones entre la teoría y el experimento siempre implican inferir distribuciones de probabilidad a partir de muchos experimentos repetidos.

La descripción matemática de un sistema cuántico suele tomar la forma de una «función de onda», generalmente representada en las ecuaciones por la letra griega psi: Ψ. Hay un gran debate sobre lo que, exactamente, representa esta función de onda, dividiéndose en dos campos principales: los que piensan en la función de onda como una cosa física real (el término de la jerga para estos es teorías «ónticas», lo que lleva a algún ingenioso a apodar a sus defensores «psi-ontólogos») y los que piensan en la función de onda como una mera expresión de nuestro conocimiento (o falta de él) con respecto al estado subyacente de un objeto cuántico particular (teorías «epistémicas»).

En cualquiera de las dos clases de modelos fundacionales, la probabilidad de encontrar un resultado no viene dada directamente por la función de onda, sino por el cuadrado de la función de onda (en términos generales, de todos modos; la función de onda es un objeto matemático complejo (lo que significa que implica números imaginarios como la raíz cuadrada de uno negativo), y la operación para obtener la probabilidad es un poco más complicada, pero el «cuadrado de la función de onda» es suficiente para obtener la idea básica). Esto se conoce como la «Regla de Born», en honor al físico alemán Max Born, que fue el primero en sugerirla (en una nota a pie de página de un artículo de 1926), y a algunos les parece un feo añadido ad hoc. Hay un esfuerzo activo en algunas partes de la comunidad de fundamentos cuánticos para encontrar una manera de derivar la regla de Born de un principio más fundamental; hasta la fecha, ninguno de ellos ha tenido pleno éxito, pero genera una gran cantidad de ciencia interesante.

Este es también el aspecto de la teoría que conduce a cosas como que las partículas estén en múltiples estados al mismo tiempo. Todo lo que podemos predecir es la probabilidad, y antes de una medición que determina un resultado particular, el sistema que se mide está en un estado indeterminado que matemáticamente mapea a una superposición de todas las posibilidades con diferentes probabilidades. El hecho de que se considere que el sistema está realmente en todos los estados a la vez, o que sólo esté en un estado desconocido, depende en gran medida de los sentimientos que se tengan sobre los modelos ónticos frente a los epistémicos, aunque ambos están sujetos a las restricciones del siguiente punto de la lista:

La física cuántica no es local

La última gran contribución de Einstein a la física no fue ampliamente reconocida como tal, sobre todo porque estaba equivocado. En un artículo de 1935 con sus colegas más jóvenes Boris Podolsky y Nathan Rosen (el «artículo EPR»), Einstein proporcionó una clara declaración matemática de algo que le había estado molestando durante algún tiempo, una idea que ahora llamamos «entrelazamiento»

El artículo EPR argumentaba que la física cuántica permitía la existencia de sistemas en los que las mediciones realizadas en lugares muy separados podían estar correlacionadas de manera que sugerían que el resultado de una estaba determinado por la otra. Argumentaban que esto significaba que los resultados de las mediciones debían estar determinados de antemano, por algún factor común, porque la alternativa requeriría transmitir el resultado de una medición al lugar de la otra a velocidades superiores a la de la luz. Por lo tanto, la mecánica cuántica debe ser incompleta, una mera aproximación a alguna teoría más profunda (una teoría de «variable oculta local», una en la que los resultados de una medición particular no dependen de nada más lejos de la ubicación de la medición de lo que una señal podría viajar a la velocidad de la luz («local»), sino que están determinados por algún factor común a ambos sistemas en un par entrelazado (la «variable oculta»)).

Esto se consideró una extraña nota a pie de página durante unos treinta años, ya que parecía no haber forma de comprobarlo, pero a mediados de los años 60 el físico irlandés John Bell elaboró las consecuencias del documento EPR con mayor detalle. Bell demostró que se pueden encontrar circunstancias en las que la mecánica cuántica predice correlaciones entre mediciones distantes que son más fuertes que cualquier teoría posible del tipo preferido por E, P y R. Esto fue comprobado experimentalmente a mediados de la década de 1970 por John Clauser, y se considera que una serie de experimentos realizados por Alain Aspect a principios de la década de 1980 demostraron definitivamente que estos sistemas enredados no pueden ser explicados por ninguna teoría local de variables ocultas.

El enfoque más común para entender este resultado es decir que la mecánica cuántica es no local: que los resultados de las mediciones realizadas en un lugar determinado pueden depender de las propiedades de los objetos distantes de una manera que no se puede explicar utilizando señales que se mueven a la velocidad de la luz. Sin embargo, esto no permite el envío de información a velocidades superiores a la de la luz, aunque ha habido numerosos intentos de encontrar una forma de utilizar la no localidad cuántica para hacerlo. Refutar estos intentos ha resultado ser una empresa sorprendentemente productiva: consulte el libro de David Kaiser How the Hippies Saved Physics para obtener más detalles. La no localidad cuántica también es fundamental para el problema de la información en los agujeros negros que se evaporan, y la controversia sobre el «cortafuegos» que ha generado mucha actividad reciente. Incluso hay algunas ideas radicales que implican una conexión matemática entre las partículas enredadas descritas en el documento EPR y los agujeros de gusano.

La física cuántica es (en su mayoría) muy pequeña

La física cuántica tiene fama de ser extraña porque sus predicciones se alejan drásticamente de nuestra experiencia cotidiana (al menos, para los humanos; la idea de mi libro es que no les parezca tan extraña a los perros). Esto sucede porque los efectos implicados se reducen a medida que los objetos son más grandes: si quieres ver un comportamiento cuántico inequívoco, básicamente quieres ver partículas que se comportan como ondas, y la longitud de onda disminuye a medida que aumenta el impulso. La longitud de onda de un objeto macroscópico como un perro caminando por la habitación es tan ridículamente pequeña que si se expandiera todo para que un solo átomo en la habitación fuera del tamaño de todo el Sistema Solar, la longitud de onda del perro sería del tamaño de un solo átomo dentro de ese sistema solar.

Esto significa que, en su mayor parte, los fenómenos cuánticos están confinados a la escala de los átomos y las partículas fundamentales, donde las masas y las velocidades son lo suficientemente pequeñas para que las longitudes de onda sean lo suficientemente grandes como para observarlas directamente. Sin embargo, hay un esfuerzo activo en un montón de áreas para empujar el tamaño de los sistemas que muestran los efectos cuánticos hasta tamaños más grandes. He escrito en el blog sobre los experimentos del grupo de Markus Arndt que muestran un comportamiento ondulatorio en moléculas cada vez más grandes, y hay un montón de grupos de «opto-mecánica de cavidades» que intentan utilizar la luz para ralentizar el movimiento de trozos de silicio hasta el punto de que la naturaleza cuántica discreta del movimiento quede clara. Hay incluso algunas sugerencias de que podría ser posible hacer esto con espejos suspendidos que tengan masas de varios gramos, lo que sería increíblemente genial.

La física cuántica no es magia

El punto anterior lleva de forma muy natural a este otro: por muy raro que parezca, la física cuántica no es, rotundamente, magia. Las cosas que predice son extrañas según los estándares de la física cotidiana, pero están rigurosamente limitadas por reglas y principios matemáticos bien entendidos.

Así que, si alguien se acerca con una idea «cuántica» que parece demasiado buena para ser cierta -energía libre, poderes curativos místicos, impulsores espaciales imposibles-, casi seguro que lo es. Eso no significa que no podamos utilizar la física cuántica para hacer cosas increíbles -se puede encontrar una física realmente genial en la tecnología mundana-, pero esas cosas se mantienen bien dentro de los límites de las leyes de la termodinámica y del sentido común básico.

Así que ahí lo tienen: lo esencial de la física cuántica. Probablemente me he dejado algunas cosas en el tintero, o he hecho algunas afirmaciones que no son lo suficientemente precisas como para complacer a todo el mundo, pero esto debería servir al menos como un punto de partida útil para la discusión posterior.