Así nació la física cuantica

En 1900, el físico Max Planck descubrió que la energía está empaquetada, es decir, que no aumenta ni disminuye de manera continua, sino mediante adición o resta de paquetes. Y estos paquetes son indivisibles. A tales paquetes se les llamó “cuantos”, así que podemos afirmar que un cuanto es el paquete de energía más pequeño que se pueda lograr, o lo que es lo mismo, la unidad mínima de acción.

A este cuanto básico se le denominó “constante de Planck” y fue el origen de una serie de descubrimientos por los que la «realidad» comenzaría a desmoronarse de forma tan estrepitosa que cien años después aún no se ha logrado saber de qué va todo esto.

Que la energía no aumenta ni disminuye de manera continua, sino que es siempre múltiplo de un cuanto, tiene implicaciones muy duras para el sentido común, como se ha ido demostrando a lo largo del siglo XX y de este tramo del XXI.

Así, en 1905, Albert Einstein solucionó muchas dudas sobre el comportamiento de la luz que no podían resolverse en virtud de su naturaleza de onda: la nueva teoría de Einstein proponía que la luz podía actuar como partícula en ciertos casos. Tales partículas eran los fotones: las unidades mínimas de energía electromagnética.

Unos años más tarde, Niels Bohr aplicó la constante de Planck a su teoría sobre el átomo de hidrógeno y descubrió que la radiación emitida por dicho átomo se debía a una variación en la energía que contiene su único electrón: cada descenso de nivel, el electrón emitía un fotón, y en cada ascenso lo absorbía.

Al desprenderse de un fotón, el electrón se acerca al núcleo, y al absorberlo se aleja a órbitas más externas. Esto significa, y aquí viene lo bueno, que las órbitas posibles para el electrón, al depender de los fotones, responden a múltiplos de la constante de Planck; están cuantizadas: el electrón no se mueve entre las órbitas, sino que “salta” de una a otra sin realizar el trayecto que las separa.

El átomo ya no podía ser explicado en los términos de la física clásica. Para colmo, la teoría fotoeléctrica de Einstein mostraba que la luz se comportaba bajo dos naturalezas incompatibles: una onda que mostraba ciertos comportamientos de partícula.

El francés Louis de Broglie tuvo la intuición de que la doble naturaleza de la luz era aplicable a todas las partículas: no sólo una onda se comporta como partícula, como hacía la luz, sino que también lo que hasta entonces se concebía como partícula podría comportarse como onda.

Tras su éxito, Edward Schrödinger se empeñó en encontrar una ecuación que describiese este comportamiento de las partículas. Esto suponía describir la relación de una partícula con su movimiento, pero el movimiento responde a la propagación de una onda, por lo que tenía que encontrar la relación entre el movimiento de la onda y la posición de la partícula. O sea, localizar la partícula en la onda.

Es así como se mostraba la naturaleza probabilística, no determinista, de la teoría cuántica: la ecuación de Schrödinger indica dónde estaría la partícula de acuerdo a una distribución de probabilidades en el espacio-tiempo definida por la onda.

Pero entonces el sentido común sufrió un nuevo mazazo: si las ondas se superponen, y ondas y partículas se refieren a una misma entidad, las partículas también se superponen. La ecuación de Schrödinger incluía el “principio de superposición”: todas las propiedades de una partícula están presentes antes del proceso de observación.

Para entender por qué la observación modifica los resultados de los experimentos,  más o menos por la misma época, mediados de los años 20, Werner Heisenberg descubrió que AB no es igual a BA. Esto es, no existe la propiedad conmutativa.

Por ejemplo, si tenemos los operadores «posición» y «momento», ello significa que si medimos uno y después el otro el resultado será diferente del que habríamos obtenido si los hubiéramos medido en el orden inverso. Sólo conoceremos con precisión la primera medida, siendo la segunda una aproximación probable.

El conocimiento de un sistema dependía de la observación y de cómo se llevara a cabo la interacción con el medio. Con Heisenberg había nacido el “principio de incertidumbre”, por el que la indeterminación es inherente a los sistemas cuánticos y no puede desaparecer nunca.

Un principio fundamental de la física clásica es la conservación de la energía en cualquiera de sus formas. Así, la energía transmitida a la materia se transforma en inercia, primero, y en masa, después. En condiciones «normales», apreciamos que toda la energía aplicada a un cuerpo es convertida en movimiento. Por ejemplo, al golpear una bola de billar. Pero, si pretendemos que la bola se acerque a la velocidad de la luz, veremos que cuanta más velocidad adquiere, menor cantidad de la energía que se le transmite es convertida en movimiento y comprobaremos, en cambio, que su masa aumenta. El límite es la velocidad de la luz, donde toda la energía que se transmite lo hace en forma de masa.

Lo dicho sirve para ilustrar que el contacto entre dos objetos los convierte en uno sólo a efectos físicos: una bola que golpea a otra pierde energía cinética al transferirla a la bola golpeada. Es decir, ambos cuerpos se han «entrelazado», y al perder energía uno de ellos el otro la ha ganado para que el sistema siga conservando el equilibrio inicial.

En física cuántica, las consecuencias van más allá del principio de conservación. Dos partículas que interactúan entre sí permanecerán enlazadas entre sí hasta el punto de que lo que le suceda a una de ellas, no importa lo lejos que pueda estar de su gemela, afectará inmediatamente a esta última.

El entrelazamiento es una aplicación del principio de superposición a un sistema compuesto por al menos dos partículas. Cuando se dice que el sistema se halla en el estado AB, significa que la partícula 1 se halla en el estado A y la partícula 2 en el estado B, siendo A y B propiedades incompatibles entre sí. Ahora, consideremos el estado AB+CD.

Significa que si la partícula 1 está en estado A, la partícula 2 se hallará en el estado C, y que si 1 se halla en B, 2 se hallará en D. Pero no hay manera de saber en qué estado se encuentra 1 mientras no se haya medido 2, y viceversa. Mientras tanto, el sistema se halla en una superposición de estados donde se dan todas las combinaciones.

Y es a esa “superposición de estados” es lo que se denomina “entrelazamiento”, el cual es posible porque los entes entrelazados fueron producidos por un proceso que los ha ligado para siempre. Por ejemplo, dos fotones emitidos por el mismo electrón.

En fin, como proceso de descomprensión y vuelta al mundo de los mortales, podría servir este vídeo sobre el experimento de la doble rendija, experimento por el que se confirmó la dualidad onda-partícula, y este otro en que el físico Michio Kaku se refiere a nuestra existencia como ondas en este mundo en el que pareciera que todo vale…

Menos el sentido común.