En nuestros años de colegio creíamos que los fenómenos naturales a nuestro alrededor se regían únicamente por las leyes de la física clásica: Las leyes del movimiento de Newton; la termodinámica y el electromagnetismo. Nos ensañaban física de hace más de cien años; pero ésta dio las bases para la concepción de nuevas ideas que condujeron a los científicos al desarrollo de teorías más recientes como la Teoría Especialla Relatividad y la Física Cuántica.
Muchos de nosotros nos hemos preguntado alguna vez ¿Cuál es el origen de nuestro Universo? ¿De qué estamos hechos? ¿De qué está hecha la materia? ¿Cómo funciona la materia? ¿Qué es el tiempo? ¿Qué es el espacio? Pues éstas y otras preguntas pueden ser contestadas por la Física Cuántica.
No podemos quedarnos con la idea de que en la vida todo está dicho y escrito; en no atrevernos a ver más allá por miedo a que lo traten de loco. Nada más Planck tuvo que lanzar una hipótesis atrevida que consistió en suponer que un cuerpo recibe y emite energía en forma discreta, en total desacuerdo con la teoría electromagnética de Maxwell, en la cual la energía se considera continua.
Esto nos pone a preguntarnos, ¿Por qué nos tenemos que conformar con lo que nos enseñaron en el colegio y con lo que actualmente sabemos y no tratamos mejor de indagar más allá de todos esos dictámenes que nos hicieron aprender de memoria?
Por ejemplo el concepto de átomo propuesto por los antiguos filósofos griegos como Demócrito[1], Leucipo[2] y Epicuro[3] en el cual el átomo es indivisible, no fue modificado sino hasta 1773 cuando el quimico francés Antoine Laurent de Lavoisier postuló su enunciado: “La materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma”. Y fue después en 1897 cuando sir Joseph Thompson descubrió el electrón y concluyó que los átomos no son indivisibles. Es así que las ideas de las personas que se atreven a indagar más allá y dejan de lado esos prejuicios propios de la naturaleza humana pueden llegar modificar antiguos conceptos o reemplazarlos por otros más precisos o más aproximados con lo observado.
En controversia está la Teoría Cuántica , que describe el doble comportamiento de la materia a escala atómica y la Teoría General de la Relatividad , que describe el comportamiento determinado y causal de la materia a grandes escalas. Ésta controversia, esa necesidad de ver la física cuántica con unos ojos distintos a los de la física clásica se debe a que hay que describir los hechos experimentales que ocurren a todas las escalas ya sea grandes o pequeñas, a pesar de las grandes diferencias del comportamiento de la materia en esas dos escalas.
Hay un experimento muy conocido en Física Cuántica, llamado el experimento de la doble ranura, realizado por Thomas Young[4] en 1801, en el cual se confirma la naturaleza ondulatoria de la luz, observando interferencia. Éste experimento también se puede realizar con electrones u otro tipo de partículas subatómicas, obteniendo un resultado similar con el obtenido con la luz. Pero este experimento no nos dice por cual rendija pasa cada electrón. Para esto, tenemos que iluminar el electrón. Pero ahora, por el simple hecho de ésta iluminación el resultado de nuestro experimento cambia de observar interferencias a observar un comportamiento idéntico al de las partículas. Es decir, con el sólo hecho que querer observar el camino seguido por los electrones, estamos alterando nuestro experimento, de manera que observamos un camino determinado para los electrones, es decir, los electrones pasan por una u otra ranura, ya que nuestra observación hace que los electrones se comporten como partículas. Pero seguimos en las mismas, porque queremos saber cual es el camino que siguen los electrones cuando el resultado del experimento es interferencia. Para esto, necesitamos no perturbar mucho a los electrones, disminuyendo la frecuencia de la luz cada vez más, pero al hacer esto encontramos que a cierta frecuencia no podemos saber con exactitud el camino seguido por los electrones, debido a la misma naturaleza ondulatoria de la luz. Y es con ésta frecuencia cuando encontramos que el resultado del experimento comienza a ser interferencia.
Vemos con el experimento de la doble rendija que los electrones son partículas y ondas, depende si los observamos o no. Esto contradice todo lo propuesto por la física clásica, así que no podemos buscar una explicación clásica para este experimento. Esto nos lleva a abandonar nuestra intuición, ya que nuestra intuición sólo está acostumbrada a razonar según dicta el entorno o mejor dicho a la escala “macroscópica” en la que vivimos, donde los efectos cuánticos típicos de la escala subatómica son imperceptibles y la física clásica ofrece una descripción satisfactoria de los fenómenos que se observan. Por esto, para analizar las nuevas propuestas de la teoría cuántica, tenemos que abstenernos de buscarles explicaciones clásicas y hacer un esfuerzo para pensar de un modo “cuántico”, renunciando rotundamente a nuestra intuición.
Personas tales, decididas a renunciar a sus prejuicios y a su intuición son los físicos cuánticos, como Bohr[5], que en 1927 concluyó el dilema entre onda o partícula por su principio de complementariedad: la materia y la energía tienen manifestaciones corpusculares y ondulatorias. Éstas son manifestaciones complementarias de un mismo sustrato profundo. El corpúsculo y la onda existen en una superposición de estados. Así cuando observamos el electrón (en el experimento de la doble ranura), la superposición de estados (onda-partícula) desaparece y el electrón se comporta como partícula.
Otra persona aún más decidida a renunciar a su intuición es Feynman[6], que propone que: “cada partícula no sólo pasa por ambas rendijas, sino que sigue todo camino posible”. A esto se le llama “suma de caminos”. Y además: “éste comportamiento se da únicamente mientras no exista no solamente una observación, sino ni siquiera la posibilidad de una observación”.
Podemos ver que a medida que las ideas de la física cuántica se alejan más del modelo causal y determinado de la física clásica y en consecuencia, desafiando cada vez más nuestra intuición, su utilidad aumenta en la misma proporción.
Sus aplicaciones llegan al campo de la información clásica. La necesidad de tomar las ideas de la mecánica cuántica en el procesamiento de la información, es debido a la ley de Moore, que predice que “hay un crecimiento exponencial respecto al tiempo del número de transistores por circuito integrado” y predice que ésta tendencia continuará. Ésta ley también predice que “la información se codificará en átomos hacia el año 2030” . Entonces, el tamaño de los transistores llegará a escala atómica, por lo que los científicos tienen que analizar cómo los efectos de la física cuántica modifican la forma de transmitir y procesar la información.
Otra de las aplicaciones de la física cuántica es la nanomedicina, donde los científicos están trabajando en la elaboración de nanodispositivos para diagnósticos más eficaces del cáncer y enfermedades cardiovasculares; nuevas formas para administrar medicamentos de forma más directa y nuevos materiales para injertos, etc.
Uno de los fenómenos del mundo subatómico más interesantes y que desafían toda intuición y toda lógica es el efecto de “tunelamiento” el cual plantea que algunas partículas subatómicas pueden atravesar barreras de energía potencial, lo cual es imposible, según la física clásica, ya que se viola la ley de la conservación de la energía. Por ejemplo, si hacemos rebotar una pelota contra una pared, la física clásica nos dice que es imposible que la pelota aparezca al otro lado de la pared, pero la física cuántica nos dice que existe la probabilidad de que la pelota aparezca al otro lado de la pared. Ésta capacidad de “traspasar” barreras sólo ocurre a escalas subatómicas y esto se debe a la incertidumbre misma de la energía a escalas subatómicas. Así, pues, algunas partículas subatómicas pueden tomar prestada energía de la nada para “traspasar” barreras siempre y cuando, ésta energía sea devuelta en un intervalo de tiempo acotado por la constante de Planck (según el principio de incertidumbre de Heisenberg).
Uno de los físicos que se oponían a éstas ideas que desafiaban la lógica era Albert Einstein[7], pues decía que “la teoría cuántica no puede ser reconciliada con la idea de que la física debe representar la realidad en el tiempo y el espacio, libre de fantasmagóricas acciones a distancia”. Entonces, Einstein se propuso a mostrar que la física cuántica no podía representar la realidad. Pero, para los físicos cuánticos, la física no es una aproximación a la realidad. Ellos exigen simplemente que una teoría no prediga resultados contradictorios para un mismo experimento, sin importar si describen o no la realidad.
Por esto, los científicos que deseen desentrañar los más intrigantes misterios de la naturaleza a escala subatómica, deberán abandonar su intuición y sus prejuicios y mantener una mente abierta a nuevos descubrimientos y sorpresas del mundo subatómico y tratar de no buscarles explicaciones clásicas, como hacía siempre Albert Einstein, sino buscarles explicaciones “cuánticas”. Estas explicaciones permitirán que la física cuántica evolucione día a día, siempre y cuando no contradigan los resultados de algún experimento, esto es lo más importante.
[1] Demócrito de Abdera: Fue un filósofo griego presocrático discípulo de Leucipo. Es considerado fundador de la escuela atomista.
[2] Leucipo de Mileto: Fue maestro de Demócrito y a ellos dos se les atribuye la fundación del atomismo mecanicista, según el cual la realidad está formada tanto por partículas indivisibles, los átomos, como por el vacío.
[3] Epicuro: Fue un filósofo griego. Según Epicuro, toda la realidad está formada por dos elementos fundamentales. Los átomos, y de otro el vacío, que es el espacio en el cual se mueven esos átomos.
[4] Thomas Young: Fue un científico inglés. Es célebre por su experimento de la doble rendija que mostraba la naturaleza ondulatoria de la luz.
[5] Niels Henrik David Bohr: Fue un físico danés que realizó importantes contribuciones para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica.
[6] Richard Feynman: Fue un físico estadounidense. Su trabajo en electrodinámica cuántica le valió el Premio Nobel de Física en 1965.
[7] Albert Einstein: Fue un físico de origen alemán, nacionalizado posteriormente suizo y estadounidense. en 1921 obtuvo el Premio Nobel de Física
Escrito por: Sergio Andrés Torres Suárez.
BIBLIOGRAFÍA:
· GIRALDO, JAIRO. Unos Cuantos para Todo, Ediciones Buinaima 2009.
· KLEIN, ETIENNE. La Física Cuántica
· GONZÁLEZ DE ALBA, LUIS. El burro de Sancho y el gato de Schrödinger, Editorial Paidos.
· AL-KHALILI, JIM. QUANTUM: A guide for the perplexed. (W&N, London, 2003).
· ACIN, ANTONIO. Procesamiento cuántico de la información, Revista Investigación y Ciencia: septiembre 2006.
· DIRAC, P.A.M. Principios de mecánica cuántica. (Ariel, 1967).
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