FÍSICA CUÁNTICA PARA PRINCIPIANTES:
Los conceptos más interesantes de la Física Cuántica hechos simples y prácticos | Sin matemáticas difíciles
Tabla de contenido
Capítulo 1
UNA AGRADABLE SORPRESA
A ntes de la era cuántica, la ciencia vivía de pronunciamientos decisivos sobre las causas y efectos de los movimientos: objetos bien definidos se movían a lo largo de trayectorias precisas, en respuesta a la acción de varias fuerzas. Pero la ciencia que ahora llamamos clásica, que surgió de las nieblas de una larga historia y duró hasta finales del siglo XIX, pasó por alto el hecho de que cada objeto estaba realmente compuesto por un número gigantesco de átomos. En un grano de arena, por ejemplo, hay varios miles de millones de ellos.
Antes de la era cuántica, cualquiera que observara un fenómeno era como un extraterrestre del espacio, mirando a la Tierra desde arriba y sólo notando los movimientos de grandes multitudes de miles y miles de personas. Tal vez los vieron marchando en filas compactas, o aplaudiendo, o apurando el trabajo, o dispersándose por las calles. Pero nada de lo que observaron podría prepararlos para lo que verían al centrar su atención en los individuos. A nivel individual, los humanos mostraron un comportamiento que no podía ser deducido del de las multitudes - cosas como la risa, el afecto, la compasión y la creatividad. Los extraterrestres, tal vez las sondas robóticas o los insectos evolucionados, pueden no haber tenido las palabras adecuadas para describir lo que vieron cuando nos observaron de cerca. Por otro lado, incluso nosotros hoy, con toda la literatura y la poesía acumulada a lo largo de milenios, a veces no podemos comprender plenamente las experiencias individuales de otros seres humanos.
A principios del siglo XX ocurrió algo similar. El complejo edificio de la física, con sus predicciones exactas sobre el comportamiento de los objetos, es decir, las multitudes de átomos, se derrumbó de repente. Gracias a nuevos y sofisticados experimentos, realizados con gran habilidad, fue posible estudiar las propiedades no sólo de los átomos individuales, sino también de las partículas más pequeñas de las que estaban hechas. Era como pasar de escuchar un conjunto orquestal a cuartetos, tríos y solos. Y los átomos parecían comportarse de manera desconcertante a los ojos de los más grandes físicos de la época, que despertaban del sueño de la época clásica. Fueron exploradores de un mundo sin precedentes, el equivalente a la vanguardia poética, artística y musical de la época. Entre ellos se encontraban los más famosos: Heinrich Hertz, Ernest Rutherford, J. J. Thomson, Niels Bohr, Marie Curie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Louis-Victor de Broglie, Albert Einstein, Max Born, Max Planck y Wolfgang Pauli. La conmoción que sintieron después de hurgar en el interior de los átomos fue igual a la que la tripulación de la Enterprise debió experimentar en su primer encuentro con una civilización alienígena encontrada en la inmensidad del cosmos. La confusión producida por el examen de los nuevos datos estimuló gradualmente los primeros intentos desesperados de los físicos de restaurar cierto orden y lógica en su ciencia. A finales de la década de 1920 se podía decir que la estructura fundamental del átomo era ampliamente conocida, y se podía aplicar a la química y la física de la materia ordinaria. La humanidad había comenzado a entender realmente lo que estaba sucediendo en el nuevo y extraño mundo cuántico.
Pero mientras que la tripulación de la Enterprise siempre podía ser teletransportada lejos de los mundos más hostiles, los físicos de principios del siglo XX no retrocedieron: se dieron cuenta de que las extrañas leyes que estaban descubriendo eran fundamentales y subyacentes al comportamiento de toda la materia del universo. Dado que todo, incluidos los humanos, está hecho de átomos, es imposible escapar a las consecuencias de lo que ocurre a nivel atómico. Descubrimos un mundo alienígena, y ese mundo está dentro de nosotros!
Las impactantes consecuencias de sus descubrimientos molestaron a no pocos científicos de la época. Un poco como las ideologías revolucionarias, la física cuántica consumió a muchos de sus profetas. En este caso la ruina no vino de maquinaciones políticas o conspiraciones de los adversarios, sino de desconcertantes y profundos problemas filosóficos que tenían que ver con la idea de la realidad. Cuando, hacia finales de la década de 1920, quedó claro para todos que se había producido una verdadera revolución en la física, muchos de los que le habían dado el empujón inicial, incluida una figura del calibre de Albert Einstein, se arrepintieron y dieron la espalda a la teoría que habían contribuido significativamente a crear. Sin embargo, hoy, bien entrado el siglo XXI, usamos la física cuántica y la aplicamos a mil situaciones. Gracias a ustedes, por ejemplo, hemos inventado los transistores, los láseres, la energía atómica y un sinfín de cosas más. Algunos físicos, incluso físicos destacados, continúan usando toda su fuerza para encontrar una versión más suave de la mecánica cuántica para nuestro sentido común, menos destructiva que la idea común de la realidad. Pero sería bueno contar con la ciencia, no con algún paliativo.
Antes de la era cuántica, la física había logrado muy bien describir los fenómenos que ocurren ante nuestros ojos, resolver problemas en un mundo de escaleras firmemente apoyadas en las paredes, flechas y balas de cañón lanzadas según trayectorias precisas, planetas que orbitan y giran sobre sí mismos, cometas que regresan al tiempo esperado, máquinas de vapor que hacen su trabajo útil, telégrafos y motores eléctricos. En resumen, a principios del siglo XX casi todos los fenómenos macroscópicos observables y medibles habían encontrado una explicación coherente dentro de la llamada física clásica. Pero el intento de aplicar las mismas leyes al extraño mundo microscópico de los átomos resultó increíblemente difícil, con profundas implicaciones filosóficas. La teoría que parecía surgir, la teoría cuántica, iba completamente en contra del sentido común.
Nuestra intuición se basa en experiencias pasadas, por lo que podemos decir que incluso la ciencia clásica, en este sentido, fue a veces contraintuitiva, al menos para la gente de la época. Cuando Galileo descubrió las leyes del movimiento ideal en ausencia de fricción, sus ideas se consideraron extremadamente atrevidas (en un mundo en el que nadie o casi nadie había pensado en descuidar los efectos de la fricción)2. Pero la física clásica que surgió de sus intuiciones logró redefinir el sentido común durante tres siglos, hasta el siglo XX. Parecía ser una teoría sólida, resistente a los cambios radicales - hasta que la física cuántica irrumpió en escena, llevando a un choque existencial como nunca antes.
Para entender realmente el comportamiento de los átomos, para crear una teoría que estuviera de acuerdo con los datos aparentemente contradictorios que salieron de los laboratorios en los años 30, era necesario actuar de manera radical, con una nueva audacia. Las ecuaciones, que hasta entonces calculaban con precisión la dinámica de los acontecimientos, se convirtieron en instrumentos para obtener abanicos de posibilidades, cada una de las cuales podía ocurrir con una probabilidad determinada. Las leyes de Newton, con sus certezas (de ahí el término "determinismo clásico") fueron sustituidas por las ecuaciones de Schrödinger y las desconcertantes construcciones matemáticas de Heisenberg, que hablaban el lenguaje de la indeterminación y el matiz.
¿Cómo se manifiesta esta incertidumbre en la naturaleza, a nivel atómico? En varias áreas, de las cuales podemos dar un primer y simple ejemplo aquí. La física atómica nos dice que dada una cierta cantidad de material radiactivo, digamos uranio, la mitad se transformará por un proceso llamado "decadencia" y desaparecerá antes de un período fijo de tiempo, llamado "vida media" o "vida media". Después de otro intervalo de tiempo igual a la vida media, los átomos restantes se reducirán de nuevo a la mitad (así, después de un tiempo hasta dos vidas medias, la cantidad de uranio presente al principio se reducirá a un cuarto del original; después de tres vidas medias, a un octavo; y así sucesivamente). Gracias a la mecánica cuántica y a algunas ecuaciones complicadas, somos capaces de calcular en principio el valor de la vida media del uranio, y de muchas otras partículas fundamentales. Podemos poner a trabajar a equipos de físicos teóricos y obtener muchos resultados interesantes. Sin embargo, somos absolutamente incapaces de predecir cuando un átomo de uranio en particular se descompondrá.
