Ciencia

¿De qué se trata la mecánica cuántica?

El mismo Einstein se refirió a sus predicciones como 'acciones fantasmagóricas a distancia'. 

Gato de Schrodinger

La paradoja del gato de Schrodinger (vivo y muerto a la vez) es un ejemplo clásico para explicar la teoría cuántica.

Foto:

123rf

09 de agosto 2018 , 10:26 p.m.

Siendo la teoría física más precisa del momento, para muchos la mecánica cuántica es equivalente a magia…y en ciertos aspectos lo es. Albert Einstein se refirió a algunas de sus predicciones con sarcasmo e incredulidad, llamándolas “acciones fantasmagóricas a distancia”.

El genio de la relatividad general, siendo esta la otra teoría que con la física cuántica forman el andamiaje de la física contemporánea, nunca imaginó que esas acciones instantáneas a distancia pudieran ocurrir, pues violarían uno de los principios que él estableció como fundamentales. Contrariando su percepción, esos fenómenos ocurren.

Es más, son el fundamento de lo que hoy se denomina Procesamiento Cuántico de la Información, el fundamento de tecnologías del futuro que todavía se encuentran en su infancia, entre ellas la computación cuántica y el teletransporte cuántico. Uno de los pioneros de esa teoría, Erwin Schrödinger, se unió a Einstein en el clamor contra la incertidumbre introducida por la física cuántica y propuso una paradoja para subrayar por qué le parecía absurda: un gato vivo y muerto a la vez, denominado El gato de Schrödinger.

El punto de partida de lo que consideraron Einstein y otros equivocado o al menos indeseable para una teoría física se fundamenta en la aleatoriedad con que se dan ciertos fenómenos cuánticos, si no todos. Con el mecanismo de precisión introducido por Isaac Newton, mediante el cual pudo predecir el movimiento de los planetas y en principio del universo como un todo, esquema maravillosamente completado por James Clerk Maxwell con su teoría electromagnética, los físicos se habían acostumbrado a buscar y encontrar leyes deterministas para todo. Cuando se encontraron con los ingredientes últimos de la materia tuvieron que renunciar a ese procedimiento.

Ilustramos a continuación la paradoja del gato. Un núcleo atómico puede decaer o no, dando lugar a un rayo gamma, fotón o cuanto de energía que podría aprovecharse para accionar un martillo que rompiera un recipiente con veneno dentro de una caja. Si uno imaginara un gato encerrado en la misma caja que contiene el átomo radiactivo, el gato y el veneno, afrontaría una situación ambigua que solo se vuelve unívoca en el momento de observar, es decir, abrir la caja para saber qué ocurrió. Al observar dentro de la caja, encontrará que el núcleo pudo haber decaído o no, liberando o no el fotón; por tanto, el martillo pudo haberse accionado o no y por ende el gato estará vivo o muerto.

Desde el punto de vista cuántico el asunto es más enredado que lo que acabamos de decir porque mientras no se observe el núcleo, este habrá decaído y no simultáneamente, es decir, tendremos un fotón y no lo tendremos simultáneamente; en conclusión, ¡el gato estará vivo y muerto a la vez!

El principio de superposición, el más fundamental de la nueva teoría, afirma que cualquier objeto cuántico está en todas las situaciones en que puede presentarse mientras no se le observe o se midan sus propiedades. El núcleo y el fotón son objetos cuánticos, como lo son los átomos, aunque los martillos y los gatos, hechos de átomos, se comporten siguiendo las leyes de la física convencional. En eso consiste la paradoja.

Otro de los enigmas de la teoría cuántica que está dando lugar a aplicaciones sorprendentes es el llamado entrelazamiento cuántico previsto por Einstein, en el que se negó a creer. El caso más fácil de ilustrar es el de dos fotones que se producen simultáneamente bajo ciertas condiciones.

Es lo que ocurre en el borato de beta-bario (BBO), un cristal no lineal: mediante un proceso de bombeo láser se generan dos fotones gemelos que se alejan en diferentes direcciones. Lo que le ocurra a uno de los fotones afectará al otro instantáneamente, sin importar la distancia a que se encuentren. Ese efecto se ha utilizado ya con éxito en la criptografía cuántica y aplicado a operaciones bancarias con una seguridad que no brinda el encriptado convencional.

Prácticamente todos los dispositivos que utilizamos a diario, dentro de los que caen por supuesto los computadores de todo tipo, las tablets, los celulares y por supuesto el láser, echan mano de los principios cuánticos para su desempeño. Los microscopios electrónicos son resultado del principio de dualidad onda-corpúsculo.

El microscopio de efecto túnel y el microscopio atómico utilizan otro principio fundamental de la mecánica cuántica, a saber el principio de incertidumbre de Heisenberg. En particular este principio da lugar precisamente al fenómeno conocido como efecto túnel, mediante el cual un objeto cuántico puede atravesar un obstáculo sin tener la energía necesaria para hacerlo. Eso es lo que ocurre precisamente en los diodos semiconductores. El tunelamiento cuántico es lo que permite la fusión nuclear, dando lugar a la liberación de la enorme energía procedente del sol. La evolución estelar está regida principalmente por ese tipo de procesos.

A las aplicaciones arriba mencionadas se agregan ahora las posibilidades que se han abierto con la nanotecnología, un campo de la ciencia de materiales en donde los efectos cuánticos se manifiestan copiosamente precisamente por el tamaño extremadamente diminuto de sus componentes.

Pero la teoría cuántica no solo se aplica en la región de lo diminuto. La exploración del universo, su origen y su evolución habrían sido imposible sin agregar a la teoría de relatividad el comportamiento cuántico de la materia.

Surgió así la teoría de campos cuánticos que tan provechosa ha sido en el conocimiento que tenemos de las denominadas partículas elementales y en la cosmología y astrofísica, unidas en lo que se llama la física de altas energías. Cada uno de estos temas merece capítulo aparte para acercarlo a un público amplio y explicarlo en términos sencillos, lo que intentaremos hacer en próximas columnas.

JAIRO GIRALDO GALLO
Profesor titular del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia

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