Andrés Cassinello - La realidad cuántica

Este libro quiere cubrir una laguna: los libros de divulgación de la física al uso se dedican sobre todo a contar anécdotas —casi siempre entretenidas e interesantes, no lo dudamos— o, en todo caso, a la descripción superficial de algunos principios, pero dejan a muchos lectores interesados con un cierto sabor amargo porque ven cómo se aproximan a una materia, pero no la abordan del todo. Tratan temas que parecen atractivos, pero no los explican. El lector sólo adquiere una vaga idea de los asuntos tratados, pero no un conocimiento medianamente preciso o profundo.

Pensamos que con frecuencia se recurre a un libro de divulgación porque no se tiene el bagaje matemático para enfrentarse a libros más técnicos, pero sí se pretende adquirir una idea cabal de los temas y principios expuestos.

En este libro pretendemos explicar los fundamentos de la mecánica cuántica y sus aplicaciones recientes. Hemos buscado un difícil equilibrio: utilizar matemáticas muy básicas, pero no por eso dejar de explicar en toda su profundidad los temas que se tratan. Para ello hemos seleccionado un hilo conductor que resume la esencia cuántica, lo hemos desbrozado del rigor matemático formal sustituyéndolo por ideas intuitivas, le hemos quitado todo lo complementario y hemos buscado los casos sencillos y los experimentos que permiten concentrarse en explicar lo fundamental. Hemos rechazado todo aquello que, aunque importante en mecánica cuántica, nos distrae de ese hilo conductor y que, además, requiere un aparato técnico más complejo. (De ahí que no hablemos, por ejemplo, del espín, magnitud cuántica por excelencia y muy utilizada en otros textos para explicar los entresijos cuánticos.) Preferimos concentrarnos en un solo tema, que además se puede presentar de una forma muy intuitiva, la polarización de la luz, y que él nos vaya conduciendo a través del meollo cuántico.

Como decimos, el nivel de matemáticas se ha reducido al mínimo, supliéndolo por imágenes y analogías de manera que sólo se requieren matemáticas elementales para seguir el cuerpo principal del libro. Nos referimos a sumas, productos y potencias de números enteros. También se da la opción de profundizar un poco más con un nivel de matemáticas ligeramente superior. Cuando aparece «coseno de un ángulo», por ejemplo, ponemos una línea quebrada que encierra el material correspondiente para que los lectores versados en tales herramientas matemáticas procedan a su lectura. A lo largo del libro se van sucediendo esos recuadros de línea quebrada, que exigen, por tanto, sólo un nivel medio de matemáticas.

En el Apéndice hemos puesto los desarrollos un poco más laboriosos que aquilatan los detalles del texto. Así los lectores que quieran profundizar algo más o convencerse por sí mismos de algunos extremos, pueden hacerlo.

Tenemos que aclarar desde el principio algo importante: la mecánica cuántica nadie la entiende. Más precisamente, si entender significa tener una imagen clara de cómo funciona el mundo subatómico habrá que aceptar que no lo entendemos. Nuestra pretensión será más humilde. Intentaremos explicar qué se sabe y de qué manera; pero ya advertimos a aquellos que aspiren a leer este libro para encontrar certidumbres: no las hay. Como mucho, podremos abrir puertas para asomarnos a mundos insospechados donde las cosas no son como en el mundo macroscópico; donde se puede estar a caballo entre dos situaciones aparentemente incompatibles; donde lo que uno haga en un sitio puede afectar instantáneamente a objetos que se encuentran lejos; o donde no se puede mirar impunemente porque al mirar se altera lo que uno mira.

Las ideas que aquí se explican son importantes porque modifican nuestra imagen del mundo. Explicarlas puede evitar maximalismos fáciles: tan malo es despreciar la ciencia como creer que la ciencia lo puede todo. Hay gente que piensa que la ciencia ha avanzado tanto que es posible teletransportar individuos (a Mr. Spok, por ejemplo, en Star Trek). Pero no se pueden enunciar principios generales sin especificar las situaciones en las que son válidos. La ciencia precisa; no admite afirmaciones generales sin especificar las condiciones de su aplicación. A esa tarea nos dedicaremos a lo largo del libro.

El libro consiste en el desarrollo de un solo tema: la superposición. Ése es el concepto diferencial entre la física clásica y la cuántica. Que una partícula subatómica pueda estar en una situación intermedia, en un estado «suspendido» entre dos estados clásicos —dos posiciones, por ejemplo—, separa radicalmente las leyes cuánticas de las clásicas. Y permite inventar aplicaciones inimaginables para el sentido común, aplicaciones basadas en estados de superposición. Bohr, uno de los fundadores de la mecánica cuántica, decía que nuestros conceptos, nacidos de una visión macroscópica del mundo para la que es adecuada la física clásica, no permiten aprehender el mundo cuántico. Hay un radical misterio en la mecánica cuántica. Ése será uno de los objetivos del libro: precisar las fronteras de ese misterio.

En el capítulo 1 se cuenta cómo empezó todo, y por dónde se coló, desde el principio, lo incomprensible. Ocurrió cuando Schrödinger, otro de los fundadores, encontró su famosa ecuación. La ecuación tenía un sujeto, ψ, la función de onda, y ese sujeto era un tanto esquivo. Tan vagaroso era que costó mucho ponerle un traje, y encima el traje tenía una hechura desconocida hasta entonces. Surge la pregunta: ¿en qué contexto sociocultural formula Schrödinger su revolucionaria ecuación? El capítulo se complementa con la descripción del ambiente cultural de la Viena de Schrödinger y de sus circunstancias personales.

En el capítulo 2 se presenta de un modo operacional, a través de experimentos, el protagonista del libro: la superposición, y su antagonista: el colapso. A lo largo del capítulo se analizará la lucha entre estos dos caracteres principales en diferentes situaciones, a cual más intrigante.

Sumergidos ya en las extrañezas cuánticas, intentaremos aclarar, en el capítulo 3, qué significa medir en el desdibujado mundo cuántico, y lo haremos investigando una propiedad de la luz que nos acompañará en el resto del libro: la polarización.

Podremos, entonces, en el capítulo 4, extender la idea de superposición a sistemas de 2 partículas. Así aparecerá el entrelazamiento, una ligazón entre partículas que permanece aunque las partículas se separen grandes distancias y que hace que una partícula «sienta» lo que se le hace a la otra por lejos que esté.

El capítulo 5 delimita la frontera entre el mundo clásico y el cuántico. Las discusiones entre Einstein y Bohr sobre si el mundo es cuántico o no, encuentran, con la esencial aportación de John Bell, el rasero que traduce a hechos las dos visiones, porque descubre, en el entrelazamiento, predicciones experimentales diferenciadas para cada una de ellas. Bell pone, de esta manera, números al misterio y deja que sea la realidad la que dé la razón a una u otra filosofía.

La desigualdad de Bell proporciona, además, un criterio para saber si de verdad un sistema está entrelazado y puede utilizarse para transmitir información con la seguridad de que ningún espía pueda interceptarla. Abre, así, las puertas de la revolución que, en los años noventa del siglo pasado se gestó en el campo de la información. En el capítulo 6 se explica cómo se aprovecharon las extrañezas y anomalías cuánticas para procesar y comunicar la información de una forma totalmente nueva, domando el misterio cuántico para crear aplicaciones imposibles de concebir con las herramientas clásicas: la teleportación, la criptografía cuántica y los ordenadores cuánticos.