La ‘revolución cuántica’ nos alerta sobre la realidad del mundo

Cómo la ‘revolución cuántica’ nos alerta sobre la realidad del mundo

Niels Bohr con Albert Einstein en 1925. Foto: Pxhere.

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Los experimentos que abren la puerta a una nueva tecnología futura han sido merecedores del Premio Nobel de Física de este año, poniendo de manifiesto que el mundo cuántico sigue estando de rabiosa actualidad.

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia la naturaleza a las escalas más pequeñas. Investiga cómo son las partículas (los átomos, electrones, fotones…) con las que se construye todo el mundo macroscópico que vemos a nuestro alrededor, y cuál es la forma en la que interaccionan estas partículas entre sí. Los formalismos matemáticos básicos que sostienen toda la teoría se desarrollaron en los primeros decenios del pasado siglo, siendo pronto corroborados en laboratorio hasta conseguir el “aprobado experimental” que requiere el método científico para dar validez a cualquier teoría. Hoy en día esta validez es un hecho incontrovertible, como prueba el amplio desarrollo tecnológico que recae sobre ella al que aún le queda un largo recorrido. Precisamente los experimentos que abren la puerta a esta tecnología futura han sido merecedores del Premio Nobel de Física de este año, poniendo de manifiesto que el mundo cuántico sigue estando de rabiosa actualidad. El debate sobre su significado más profundo, sobre qué es lo que la mecánica cuántica nos enseña sobre la realidad del mundo en que vivimos, continúa abierto.

Un amplio porcentaje de los ingenios tecnológicos a los que estamos habituados han sido desarrollados sobre la base de los conocimientos que ha puesto a nuestro disposición la mecánica cuántica, ingenios sin los cuales nuestra vida sería más parecida a la de nuestros tatarabuelos del siglo XIX que a la que disfrutamos hoy en día. Sin ánimo de ser exhaustivos, podemos mencionar desde las comunicaciones que nos conectan en tiempo real por medio de fibra óptica a los relojes atómicos que regulan el sistema GPS o los sensores fotoeléctricos que están presentes en cámaras fotográficas, en el alumbrado público o en las puertas automáticas, entre otras aplicaciones. También la medicina se ha visto favorecida con técnicas como la resonancia magnética y los rayos X, que permiten a los especialistas mirar en el interior de nuestro organismo. El láser de los reproductores, los transistores de los ordenadores, la televisión digital, el microondas, las placas solares, las baterías de los coches eléctricos… Allí donde miremos hay tecnología cuántica, y esto podría ser sólo el principio. Según anuncian los especialistas, estaríamos a las puertas de una nueva revolución impulsada por tecnologías cuánticas emergentes como la computación cuántica, que podría acelerar el desarrollo de la inteligencia artificial de una forma que resulta difícil de anticipar.

La mecánica cuántica sigue generando un intenso debate físico-filosófico entre los especialistas a la par que mantiene viva la curiosidad del público general. La razón la encontramos en una conocida cita de Bohr, en la que el genial físico afirmaba que “si alguien no se queda confundido con la física cuántica es que no la ha entendido bien”. Efectivamente, la imagen del mundo que nos revela la física cuántica está plagada de rarezas que desafían nuestra imaginación, rarezas que resultan muy difíciles de entender, e incluso de aceptar. Hagamos un pequeño resumen de las principales extravagancias que encontramos en el mundo descrito por la física cuántica. No son nuevas: han hecho verter tantos ríos de tinta que han acabado por resultarnos casi familiares.

Un mundo extravagante que desafía a nuestra imaginación

Comenzamos este repaso recordando el principio de incertidumbre según el cual es imposible conocer simultáneamente el valor exacto de pares de propiedades de las partículas como [velocidad – posición] o [energía – tiempo]. Esta indeterminación nada tiene que ver con las dificultades prácticas a la hora de efectuar las medidas: se trata de algo intrínseco a las partículas, una “característica cuántica” que fue derivada por Heisenberg de la formulación matemática.

A esta incertidumbre se une la naturaleza dual onda-partícula. Einstein descubrió que las ondas de luz en ocasiones se comportan como corpúsculos a los que llamó fotones, lo que le permitió explicar el conocido efecto fotoeléctrico que tantas aplicaciones tecnológicas tiene hoy en día. Algunos años más tarde de Broglie extendía esta naturaleza dual a las partículas (como los átomos, o los electrones), sugiriendo que deben tener una onda asociada. La naturaleza ondulatoria de las partículas se comprobó en laboratorio poco tiempo después, tras el descubrimiento del patrón de difracción del electrón. Si ya de por sí esta naturaleza dual nos resulta extraña, no menos peculiar resulta que la partícula muestre un comportamiento ondulatorio o corpuscular dependiendo del experimento a la que sea sometida. Es decir, según el método que elijamos para observar la partícula, ésta se comportará como un corpúsculo, o como una onda.

La ecuación de ondas que describe las partículas cuánticas fue formulada por Schrödinger en 1925, sentando las bases formales de la nueva teoría junto al cálculo matricial desarrollado casi en paralelo por Heisenberg. Según la ecuación de Schrödinger, las partículas evolucionan en el tiempo en un estado que es producto de la superposición de todos los estados posibles, estados que son mutuamente excluyentes en nuestro entorno cotidiano (donde no es posible estar “arriba” y “abajo” a la vez) pero que coexisten en el mundo cuántico. Born encontró una interpretación probabilística a la ecuación: el cuadrado de la amplitud de la onda nos da la probabilidad de que la partícula se encuentre en ese punto tras ser efectuada una medida. Las partículas no sólo parecen desafiar el sentido común al ser capaces de estar en varios estados a la vez, sino que el determinismo propio de la mecánica clásica también salta por los aires para ser reemplazado por un cálculo de probabilidades.

Cuando una partícula es sometida a un experimento, ese peculiar estado cuántico “en superposición” evoluciona abruptamente a un estado clásico, es decir, a un estado perfectamente determinado en el espacio y en el tiempo que es el que medimos con nuestros aparatos. No somos capaces de ver directamente el estado en superposición, sería básicamente imposible teniendo en cuenta que no tiene paralelismo alguno en el mundo macroscópico. Lo que observamos es el estado final al que evoluciona la partícula de golpe en el momento de la medición, un peculiar comportamiento que ha pasado a ser conocido como el “problema de la medida”. Estas aparentes paradojas fueron ilustradas por Schrödinger mediante un experimento mental que tiene como protagonista a un pobre gato que es encerrado en una caja con un dispositivo que podría matarlo, o no, al 50% de probabilidades. Mientras la caja permanezca cerrada el gato estará en un estado en superposición, es decir, vivo y muerto a la vez. Una “hazaña cuántica” que le ha convertido en el felino más famoso de todos los tiempos.

Otra de las características de las partículas cuánticas que tampoco tiene paralelismo en el mundo clásico es el llamado “entrelazamiento cuántico”. En el mundo cuántico pueden existir grupos de partículas “entrelazadas” que son descritas por una función de onda única para todo el sistema. Al compartir un mismo estado cuántico, si una de las partículas sufre una modificación, el resto responderá instantáneamente, sin importar cómo de alejadas estén. Esto es algo extraordinariamente extraño pues nada viaja “instantáneamente” en el universo, pero su realidad experimental es indiscutible a día de hoy. De hecho, los físicos John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger han sido galardonados este año con el Premio Nobel de Física precisamente por su experimentos con partículas entrelazadas, trabajos pioneros para la futura computación cuántica que promete traer consigo una auténtica revolución tecnológica.

El apasionado debate entre Einstein y Bohr

Nuestro mundo cotidiano está perfectamente descrito por la física newtoniana, con las correcciones relativistas apropiadas cuando las condiciones así lo requieren. Se trata de un mundo regido por la causalidad y el determinismo en el que no hay “incertidumbre intrínseca” alguna que nos impida conocer las propiedades de los objetos, perfectamente localizables en el espacio y en el tiempo. Una pelota de tenis se comporta como un objeto sólido, y las perturbaciones que se propagan en un estanque cuando arrojamos una piedra lo hacen como ondas. No podemos estar en varios sitios a la vez, ni podemos entrelazar nuestro estado con el de otros objetos de tal forma que un cambio en el estado de uno afecte de manera instantánea al resto.

¿Cómo es posible que el mundo macroscópico en el que vivimos, este mundo causal y determinista, emerja de esa otra realidad bizarra que es descrita por la mecánica cuántica? Hay que tener en cuenta que cualquier objeto a nuestro alrededor, incluido nuestro propio organismo, está compuesto por átomos que se comportan de manera “cuántica”. Sin embargo, las excentricidades del mundo cuántico desaparecen misteriosamente cuando aumentamos la escala para dar paso a nuestra realidad cotidiana. Este es el gran problema interpretativo que afrontamos.

A Einstein la física cuántica le incomodaba, y así se lo confesaba a su amigo Born en una carta fechada en diciembre de 1926: “La mecánica cuántica es ciertamente impresionante. Pero una voz interior me dice que aún no es la realidad. La teoría dice mucho, pero realmente no nos acerca más al secreto del ‘viejo’. Yo, en todo caso, estoy convencido de que Él no juega a los dados”. Einstein nunca renunció a la idea de que la física cuántica está incompleta. Con ello no pretendía decir que sea una teoría errónea, sino únicamente que adolece de ciertas carencias que, a la postre, serían las responsables de las rarezas que muestra. Por el contrario, Bohr aceptaba con naturalidad la nueva teoría, una diferencia de perspectiva que los llevaría a entablar un apasionado debate que mantendrían vivo durante toda su vida. Es frecuente leer que Einstein era realista y Bohr antirrealista, una forma de etiquetarlos algo simplista, pues lo cierto es que Bohr nunca dudó de la realidad del átomo, y así lo dejó escrito.

Los conceptos con los que describimos nuestras prácticas experimentales e interpretamos nuestras teorías son los de la física clásica. Estos conceptos clásicos no son más que formalizaciones de nuestro lenguaje común, que está basado en nuestra experiencia sensorial: posición en el espacio, instante en el tiempo, causa, efecto… Son el resultado de nuestra adaptación perceptiva al mundo macroscópico en el que habitamos, la base sobre la que cimentamos el “sentido común” que todos compartimos. Einstein hacía una lectura literal del mundo cuántico según se deriva de la teoría, es decir, consideraba que su formulación matemática nos ofrece una descripción pictórica. Negándose a admitir que el mundo no sea ordenado, causal y determinista tal y como exige el “sentido común”, buscaba afanosamente “variables ocultas” a las que responsabilizar de las aparentes excentricidades.

Por el contrario, Bohr no creía que la formulación matemática de la teoría fuese un retrato fiel de la realidad sino tan sólo una representación simbólica. En su opinión, las teorías son herramientas con las que interrogar a la naturaleza que deben siempre fundamentarse sobre prácticas experimentales. Estas prácticas solo pueden expresarse, y ser compartidas, haciendo uso de los conceptos clásicos que emergen de nuestra experiencia cotidiana en el mundo macroscópico que nos rodea. Por tanto, sólo pueden aplicarse a lo que denomina “fenómenos cuánticos”, es decir, al resultado macroscópico de una medición sobre un objeto, y no al objeto en sí. Los conceptos clásicos son nuestra vía para interrogar, para predecir, para comunicar, para compartir las prácticas experimentales, pero no reflejan las propiedades inherentes de los objetos cuánticos de forma independiente a su contexto. El contexto es siempre parte del fenómeno.

El contexto: una pieza crítica de la teoría y de nuestra concepción del mundo

La importancia del contexto para expresar la realidad cuántica ha estado presente en todas las interpretaciones que han sido propuestas hasta la fecha, con excepción de las que apelan a que la teoría está incompleta. En la interpretación de Copenhague, considerada como la interpretación ortodoxa, la ecuación de onda colapsa a un estado clásico por la presencia del aparato de medida (el contexto), aunque no explica ni cómo sucede, ni las razones por las que esto sucede. Enmarcada como interpretación de Copenhague también encontramos la propuesta de von Neumann y Wigner, quienes introdujeron la percepción subjetiva del observador (su conciencia) en el proceso de colapso de la función de onda.

La necesidad de introducir al sujeto en el marco descriptivo es el punto de partida de Fuch, Caves y Schack en lo que han bautizado como “Quantum Bayesianism”, una interpretación reciente que es conocida como Qbismo en un significativo guiño al revolucionario movimiento artístico. Según los qbistas, los problemas con la mecánica cuántica surgen porque estamos tratando de conceptualizar la realidad con un enfoque equivocado al excluir al sujeto del marco descriptivo. El sujeto es una parte fundamental del contexto en el Qbismo.

Por su parte, el contexto relacional, extensible tanto al ámbito material como al mental, es el protagonista de la “Mecánica Cuántica Relacional” propuesta por Carlos Rovelli. Según Rovelli, “la física del siglo XX no trata de cómo son las entidades individuales por sí mismas. Trata de cómo se manifiestan las entidades entre sí. Trata de las relaciones”. Una reflexión que, probablemente, contaría con el beneplácito de Bohr.

Las aparentes rarezas del mundo cuántico junto a la importancia crítica del contexto en las distintas interpretaciones de la teoría nos invitan a reflexionar sobre la forma en la que percibimos la realidad, sobre nuestra concepción del mundo. Existe un empecinamiento cartesiano por conocer la realidad de las cosas “en sí mismas”, por desvelar sus propiedades inherentes. Tal vez ese sea nuestro error: la realidad última podría no ser estática (las cosas), sino puro e incesante movimiento (relaciones entre las cosas), una perspectiva que resulta chocante en Occidente pero que no lo es tanto para el pensamiento milenario de la India, donde numerosas escuelas sostienen el origen interdependiente de todo cuanto existe. Una de las metáforas más bellas que explican el significado de interdependencia es la del manto de joyas del dios védico Indra. “En cada nudo de la red (…) que se expande por el espacio infinito (…)  hay una gema de cristal, que se conecta con todas las demás gemas, a las que refleja en sí misma. Ninguna joya se encuentra en el centro ni en los extremos de la red. Cada una de ellas está en el centro, en la medida en que refleja todas las demás joyas de la red. Al mismo tiempo está en el extremo, en la medida en que es reflejada en todas las demás joyas”. (Sutra del Ornamento Floral).

Dos Premios Nobel separados por un siglo

En 1922, Niels Bohr recibía el Premio Nobel de Física por su “investigación acerca de la estructura de los átomos y la radiación que emana de ellos”. Un siglo más tarde, la Academia Sueca premia a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger por sus “experimentos con fotones entrelazados (…) pioneros en la ciencia de la información cuántica”, zanjando definitivamente el debate Einstein – Bohr a favor de este último. En su nota de prensa, la Academia ha puntualizado que “más allá de las cuestiones fundamentales” el entrelazamiento cuántico es de una gran importancia por sus aplicaciones tecnológicas disruptivas. Ahora bien: ¿Deberíamos celebrar estos avances tecnológicos relegando al olvido las cuestiones fundamentales? ¿Aceptar el famoso “shut up and calculate” (cállate y calcula) que popularizó David Mermin para ironizar sobre la pobreza de las actitudes utilitaristas? En mi opinión, rotundamente no…

La posmodernidad ha argumentado su tecno-optimismo en los avances tecnológicos sin precedentes del último siglo, en buena medida sostenidos sobre una física cuántica que pone de manifiesto la importancia crítica del contexto, de la interrelación entre las cosas. No obstante, la posmodernidad es heredera del “realismo racional” modernista emperrado en reducir el mundo a magnitud, a cosas que son localizables, contables, y provistas de propiedades inherentes. Esta singularidad de las cosas se extiende al mundo social de forma acentuada, convirtiendo al individuo en el eje sobre el que pivota todo nuestro sistema político-social. Es en esta cosmovisión donde enraíza la crisis poliédrica que nos azota, una crisis que gravita en torno a un ego individualista y orgulloso de sus avances tecnológicos, que ha llevado al planeta al borde del precipicio mientras almacena capacidad para destruirlo varias veces con su armamento nuclear. Se trata de un ego antropocéntrico y supremacista que se emperra en ignorar que no está sólo, que vive en interdependencia con toda la vida que forma la biosfera la cual, a su vez, evoluciona en interrelación con los océanos, con la corteza y con la atmósfera.

La física cuántica nos está dando un inmenso poder a través de la tecnología, un poder que usado de manera inapropiada puede traernos consecuencias fatales. Pero la física cuántica también nos podría estar enseñando una lección capital sobre este mundo en interdependencia en el que todo lo que es, lo es en relación al resto. No nos quedemos en las anécdotas sobre sus rarezas: parémonos a escucharla.


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Comentarios

  • Gustavo Sánchez Gómez

    Por Gustavo Sánchez Gómez, el 01 noviembre 2022

    Enhorabuena!. Un precioso y raro artículo sobre un tema muy raro de encontrar en un periódico general. Lo he disfrutado porque siempre encuentro matices nuevos sobre lo que denominamos realidad.

  • Jesús Briceño

    Por Jesús Briceño, el 01 noviembre 2022

    Un buen resumen sobre el estrambótico tema de la mecánica cuántica. Sería muy bueno un ejemplo anecdótico cotidiano, de como un dispositivo de tantos utiliza la mecánica cuántica sin que nos demos cuenta de ello. Gracias. Saludos

  • Antonio Romero

    Por Antonio Romero, el 01 noviembre 2022

    Pienso que todo tiene una relación causal, lo que pasa es que nuestra teoría se basa en hechos que sólo podemos medir de forma probabilistica, es decir, existe una probabilidad de que el núcleo de un átomo se rompa y de lugar a otras partículas, no podemos conocer los mecanismos que hacen esa probabilidad pero si supongo yo que existen mecanismos movidos por el principio de causalidad que nos proporcionan esa probabilidad, la mecánica cuántica nos da la probabilidad de que un neutron se convierta en otras partículas pero esa probabilidad no mágicamente de la nada sino que es el resultado de procesos causa -efecto dentro de él y que de momento no conocemos ni tenemos acceso a esos procesos con nuestra tecnología, en este sentido estoy más próximo a Einstein wue claramente fue el perdedor de aquella pelea

  • Hamlet Faux

    Por Hamlet Faux, el 02 noviembre 2022

    Me interesan los artículos de Ana Campos.

  • Amparo A.

    Por Amparo A., el 02 noviembre 2022

    Ana, muy buen artículo, didáctico,y claro. Sigue ilustrándonos con más. Gracias

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