Fidel Arturo Schaposnik - Qué es la física cuántica

Diseño de cubierta: Gustavo Macri

Directora de colección: Nora Bär

© 2014, Fidel A. Schaposnik

© 2014, Nora Bär (por el prólogo).

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Editorial Paidós SAICF

Publicado bajo su sello PAIDÓS®

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Primera edición en formato digital: febrero de 2015

Digitalización: Proyecto451

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Inscripción ley 11.723 en trámite

ISBN edición digital (ePub): 978-950-12-0180-2

Acerca del autor

Fidel A. Schaposnik

Foto: gentileza de Laura Schaposnik, D. Phil.

Doctor en física por la Universidad Nacional de La Plata, donde trabaja como profesor y como investigador de la Comisión de Investigaciones Científicas de Buenos Aires. Fue becario del Conicet de Argentina, de la Fundación Marie Curie de Francia y de la Fundación Guggenheim de los Estados Unidos. Fue profesor de la Universidad de París VI, en Francia, e investigador invitado en numerosos centros y universidades europeos, latinoamericanos y estadounidenses. Dirigió numerosas tesis de doctorado en física de la Universidad Nacional de La Plata, de Buenos Aires y del Instituto Balseiro. Es autor de publicaciones científicas en revistas internacionales en colaboración con más de noventa físicos y matemáticos de todo el mundo. Investiga en el área de la física de partículas y campos, incluidas aplicaciones a la gravitación, la cosmología y la materia condensada.

Prólogo

Por más que nos esforcemos, que lo describamos con fórmulas o metáforas, las dimensiones del cosmos y de nuestro lugar en él son casi imposibles de imaginar. Decir, por ejemplo, que la estrella más cercana a la Tierra entre los miles de millones de soles que tapizan el cielo nocturno está a la distancia que recorre la luz viajando por el espacio ¡a 300.000 kilómetros por segundo durante cuatro años! Y pensar que entre ella y nosotros solo hay… vacío… nos resulta francamente inconcebible.

Pero lo que es aún más difícil de entender para nuestro cerebro adaptado a los fenómenos terrenales que captan nuestros sentidos es que la clave de todo lo que nos rodea está en la trama de una novela que se desarrolla en territorios infinitesimales que ni nuestros más potentes microscopios nos permiten observar.

El zoológico subatómico, cuyos integrantes pueden estar y no estar al mismo tiempo, o estar en dos lugares a la vez, que pueden ser partícula y onda indistintamente, cuyo comportamiento solo puede predecirse por aproximación, y en el que gobiernan el azar y la aleatoriedad, es el reino de la física cuántica.

Surgida a comienzos del siglo XX, es uno de los hitos intelectuales de la humanidad e intenta explicar los fenómenos que la física clásica no alcanza a entender. Trata los que ocurren en escalas de una mil millonésima de milímetro.

En este libro, Fidel Schaposnik se lanza a un desafío no menor: explicar, como si se lo preguntáramos en una charla de café, cómo se desarrolló y qué justificaciones ofrece este intento monumental por decodificar los engranajes del universo. Y lo hace de la mejor manera: delineando no solo sus fundamentos, sino la historia humana que la hizo posible, sazonada de intrigas, episodios románticos y personajes fascinantes.

Una historia que ningún habitante de este siglo, lanzado al desarrollo de computadoras basadas en estos principios y a la exploración de los confines del tiempo, puede permitirse ignorar.

Nora Bär,

mayo de 2014

Introducción

Este libro trata de una aventura iniciada por físicos europeos a principios del siglo pasado en la búsqueda de las leyes básicas que rigen el mundo microscópico. El horizonte de esa búsqueda es hoy mucho más amplio y no son pocos los físicos de todo el mundo que sueñan con una teoría única que explique todos los fenómenos naturales que tienen lugar en el Universo.

La arena en que esa aventura se desarrolla es la de la física cuántica , que en la década de 1920 logró describir el comportamiento de los átomos en términos de una nueva mecánica de partículas que se llamó “mecánica cuántica”. A partir de la década de 1930, la física cuántica pasó a ser una teoría cuántica de campos y partículas, capaz de explicar también fenómenos electromagnéticos como la radiación luminosa primero, la radioactividad luego y, finalmente, las fuerzas fuertes que existen, por ejemplo, en los núcleos atómicos.

Apoyados en principios de simetría, todos esos fenómenos pudieron ser descriptos a partir de la década de 1970 en términos de una teoría unificada a la que solo restaría incorporar la gravitación para lograr describir todas las fuerzas conocidas hoy en la Naturaleza. Actualmente no hay consenso en cuanto a que esa teoría unificada sea posible en términos de una teoría de campos y partículas o de una teoría de cuerdas en la que las partículas son el resultado de vibraciones de cuerdas microscópicas. Decidir cuál es la senda correcta es hoy el desafío que enfrentan los físicos.

En 1623, Galileo Galilei escribió en El ensayador que “El Universo no puede ser leído hasta que no hayamos aprendido el lenguaje y nos hayamos familiarizado con los caracteres en que está escrito. Está escrito en lenguaje matemático…”. Hacer comprensibles los avances que ha hecho la física cuántica para leer el Universo sin escribir una sola fórmula matemática podría parecer una tarea casi imposible. Sin embargo, las fórmulas fundamentales de la física clásica y cuántica no se reducen a igualdades inamovibles expresadas en términos de letras, números y símbolos matemáticos. Las discusiones que aún hoy existen sobre si la fuerza que aparece en las leyes de Newton es un concepto vacío lo muestran.

El economista John M. Keynes escribió en 1946, pocos meses antes de su muerte, un ensayo en el que afirma que “Newton no fue el primero en la edad de la razón. Fue el último de los magos, el último de los babilónicos y los sumerios”. Entre quienes construyeron la física cuántica hubo también otros magos, que dirigían la atención del auditorio a las ecuaciones que escribían, dejando ocultas por ellas sus manipulaciones fundamentales. El relato de cómo llegaron a esas fórmulas fundamentales ayuda a explicar de qué hablamos cuando hablamos de física cuántica sin tener que conocer lo que puede aparecer como una selva oscura de ecuaciones y teoremas.

Es con esa idea que ha sido concebido este libro.

Quiero agradecer a Enrique Moreno, cuyos comentarios, correcciones y consejos mejoraron grandemente cada uno de los capítulos.

¿Cómo nació la mecánica cuántica?

Donde se cuentan los cálculos que en unos pocos días hicieron Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger mientras uno curaba su fiebre en una isla del Mar Negro y el otro esquiaba junto a su ex novia en una secreta escapada a la estación de esquí de Arosa