John Gribbin - En busca del gato de Schrödinger

I. LA LUZ

Isaac Newton inventó la física, y toda la ciencia depende de la física. Ciertamente, Newton se apoyó en el trabajo de otros, pero fue la publicación de sus tres leyes del movimiento y de la teoría de la gravitación, hace casi exactamente trescientos años, la que colocó a la ciencia en el camino que la ha llevado a los vuelos espaciales, a los lásers, a la energía atómica, a la ingeniería genética, a la comprensión de la química y a todo lo demás. Durante doscientos años, la física newtoniana (que se conoce con el nombre de física «clásica») reinó con supremacía; en el siglo veinte, nuevas ideas revolucionarias llevaron a la superación de la física de Newton, pero sin aquellos dos siglos de desarrollo científico quizá las nuevas teorías nunca hubieran aparecido. Este libro no es una historia de la ciencia, y versa sobre la nueva física —la física cuántica— más que sobre aquellas ideas clásicas. Pero ocurre que en la obra de Newton de hace tres siglos ya había signos del cambio que estaba por venir, no en sus estudios sobre movimientos planetarios y órbitas ni en sus famosas tres leyes, sino en su investigación sobre la naturaleza de la luz.

Las ideas de Newton sobre la luz tienen mucho que ver con sus ideas sobre el comportamiento de los cuerpos sólidos y sobre las órbitas de los planetas. Él fue consciente de que nuestras experiencias cotidianas sobre el comportamiento de los objetos pueden ser confusas y que un objeto, una partícula libre de toda influencia exterior, puede comportarse de forma muy diferente a como lo hace sobre la superficie de la Tierra. Aquí, nuestra experiencia cotidiana nos dice que las cosas tienden a permanecer en un sitio concreto, salvo que se actúe sobre ellas, y que, una vez cesa la influencia, pronto acaba el movimiento. Entonces, ¿por qué objetos tales como los planetas o la Luna no cesan de moverse en sus órbitas? ¿Hay algo que los mantiene? Nada de eso. Son los planetas los que permanecen en un estado natural, libres de influencias externas, y son los objetos sobre la superficie de la Tierra los que sufren su influencia. Si hacemos deslizar un bolígrafo sobre la mesa, a esa acción se opone el rozamiento del bolígrafo contra la mesa, y ésa es la causa de que se detenga cuando deja de actuar. Si no hubiera fricción, el bolígrafo se mantendría en movimiento. Ésta es la primera ley de Newton: todo cuerpo permanece en reposo, o se mueve con velocidad constante, salvo que alguna fuerza exterior actúe sobre él. La segunda ley nos dice qué efecto tiene sobre un objeto la actuación de una fuerza externa. Una fuerza de este tipo cambia la velocidad del objeto, y un cambio en la velocidad se llama aceleración; si se divide la fuerza entre la masa del objeto, el resultado es la aceleración producida sobre el cuerpo por aquella fuerza. Usualmente, esta segunda ley se expresa de forma ligeramente distinta: la fuerza es igual a masa por la aceleración. Y la tercera ley de Newton explica cómo reaccionan los objetos ante acciones externas: para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Si se golpea una pelota de tenis con una raqueta, la fuerza con que la raqueta impulsa a la pelota es exactamente contrastada por una fuerza igual y contraria que actúa sobre la raqueta; el bolígrafo sobre la mesa sometido a la gravedad sufre una reacción igual pero dirigida hacia arriba por parte del pupitre; la fuerza del proceso explosivo de los gases de la cámara de combustión en un cohete produce una fuerza de reacción igual y contraria sobre el propio cohete, que le impulsa en la dirección opuesta.

Estas leyes, junto con la ley de Newton sobre la gravedad, sirvieron para explicar las órbitas de los planetas alrededor del Sol y la de la Luna alrededor de la Tierra. Cuando se tuvo en cuenta el rozamiento, estas leyes también permitieron explicar el comportamiento de objetos sobre la superficie terrestre y formaron la base de la mecánica. Pero pusieron de manifiesto implicaciones filosóficas: de acuerdo con las leyes de Newton, el comportamiento de una partícula podía ser predicho exactamente a partir de sus interacciones con otras partículas y de las fuerzas que actúan sobre ella. Si alguna vez fuera posible conocer la posición y la velocidad de cada partícula en el universo, entonces sería posible predecir con absoluta exactitud el futuro de cada partícula y, por tanto, el futuro del universo. ¿Significa esto que el universo funciona como un mecanismo de relojería, construido y mantenido en movimiento por el Creador, y sometido a una evolución completamente predictible? La mecánica clásica de Newton proporciona soporte completo a esta visión determinista del universo, una imagen que deja poco sitio para la libertad humana. ¿Puede ser realmente que todos seamos muñecos que seguimos a lo largo de la vida nuestras propias trazas prefijadas, sin ninguna posibilidad real de opción? La mayoría de los científicos aceptaban de buen grado dejar el debate de la cuestión en manos de los filósofos. Pero el problema volvió a aparecer, y con mucha más fuerza, en el estudio de la nueva física del siglo veinte.

¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Con tal éxito en su física de partículas, no es extraño que cuando Newton trató de explicar el comportamiento de la luz lo hiciera en términos de partículas. Después de todo, los rayos de luz son observados viajando en líneas rectas, y la forma en que la luz se refleja en un espejo es muy parecido al modo de rebotar una bola en una pared dura. Newton construyó el primer telescopio de reflexión, explicó la luz blanca como una superposición de todos los colores del arco iris y trabajó mucho en óptica, pero basando siempre sus teorías en la hipótesis de que la luz consistía en un haz de partículas diminutas (corpúsculos). Los rayos de luz varían su dirección cuando atraviesan la barrera entre una sustancia más ligera y otra más densa, por ejemplo en el paso de aire a agua o a vidrio (por eso parece que un palo se quiebra en un recipiente con agua). Esta refracción se explica convincentemente sobre la base de una teoría corpuscular suponiendo que los corpúsculos se mueven más rápidamente en la sustancia de mayor «densidad óptica». No obstante, en la época de Newton, había una forma alternativa de explicar todo esto.

Fig. 1-1. Ondas de agua paralelas que pasan por un pequeño agujero en una barrera y se extienden en círculos a partir del hueco, sin dejar zonas de sombra.

El físico holandés Christiaan Huygens, contemporáneo de Newton aunque trece años mayor (había nacido en 1629), desarrolló la idea de que la luz no es un haz de partículas sino una onda, como las que surcan la superficie de un mar o de un lago, propagándose a través de una sustancia invisible llamada «éter lumínico». Igual que aparecen ondas al soltar una piedra en un estanque, se producen ondas luminosas en el éter, en todas las direcciones, a partir de una fuente de luz. La teoría ondulatoria explicaba la reflexión y la refracción tan bien como lo hacía la teoría corpuscular. Aunque ésta afirmaba que, en lugar de acelerarse, las ondas de luz se movían más lentamente en las sustancias de mayor densidad óptica, no había forma de medir la velocidad de la luz en el siglo diecisiete, por lo que esta discrepancia no podía resolver el conflicto entre las dos teorías. Cuando la luz pasa por una esquina pronunciada, produce también una acusada sombra lateral. Ésta es exactamente la forma en que debe comportarse un haz de partículas viajando en línea recta. Una onda tiende a doblarse, o difractarse, hacia la zona de sombra (como hacen las olas al bordear las rocas). Hace trescientos años, esta evidencia favorecía claramente la teoría corpuscular, y la teoría ondulatoria, aunque no olvidada, sí fue descartada. Sin embargo, a principios del siglo diecinueve, el «status» de ambas teorías resultó casi completamente invertido.