Es común ver cómo la gente se asusta al escuchar nombrar la MECÁNICA CUÁNTICA y es algo irónico. ¿Por qué? A pesar de que suene como algo muy abstracto, incomprensible y que sólo unos pocos se atreven a estudiar, y mentira no es lo que la mayoría no sabe es que hoy en día muchos de los objetos que se usan cotidianamente (computadoras, reproductores de sonido y vídeo con láseres, plásticos…) y de la comprensión que se tiene sobre muchos temas “más macroscópicos” (electrónica, bioquímica, evolución estelar…), deben su existencia a los avances en esta importante rama de la ciencia.
Pero, ¿A quién carajos se le ocurrió complicarse y complicarnos la vida con la mecánica cuántica? Hay que comenzar diciendo que surge como una respuesta teórica y experimental durante el siglo XX a importantes contradicciones en la física que se había desarrollado hasta ese momento histórico y que parecía explicar el comportamiento de toda la materia conocida. Justo cuando creían que casi todo estaba descubierto y comprendido, se enfrentan con un nuevo universo donde faltaba todo por entender, llegando incluso al punto de ser necesaria una ruptura con la mecánica newtoniana (la manzana en la cabeza de Newton, acción y reacción, ¿Recuerdan?) y abrirle espacio a toda una nueva ciencia.
Aunque muchos son los culpables responsables de darle vida a la mecánica cuántica, es importante resaltar que sí hubo algunos experimentos que ocasionaron un punto de inflexión en su desarrollo y a partir de los cuáles fue posible desarrollar experimentos y teorías para ir reconociendo ese terreno inexplorado tan difícil de recorrer hasta para las mentes más brillantes.
Aquí, algunos de los causantes de nuestros dolores de cabeza científicos que dedicaron su vida a resolver parte de este gran rompecabezas, incluyendo a la memorable Marie Curie:
Algunos de esos importantes descubrimientos, surgieron en la práctica mientras se hacían experimentos para medir las propiedades de la naturaleza corpuscular (partículas) y ondulatoria (ondas) de la materia y se llevaron tremenda sorpresita. En el siglo XIX, Thomas Young presentó a la Royal Society of London evidencia suficiente para concluir que la luz se comportaba como onda, a través del famoso experimento de la doble rendija: Si la luz pasa a través de dos ranuras en una barrera opaca y después incide en una pantalla, ésta mostrará un patrón de bandas claras y oscuras. La idea que había hasta entonces (gracias como casi con todo a Newton), era que la luz consistía en partículas pequeñas de materia. Con esta imagen se pueden hacer una idea (Izquierda: Comportamiento corpuscular. Derecha: Comportamiento ondulatorio).
La naturaleza ondulatoria de la luz fue estudiada y comprobada a través de numerosos experimentos llevados a cabo por Michael Faraday, James Clark Maxwell Heinrich Hertz, entre otros, pero esta visión no justificaba ciertos fenómenos extraños, que sólo se podían entender si se consideraba la luz como una partícula. Fue Albert Einstein quien en 1905 levantó el arenero caos con el descubrimiento del “efecto fotoeléctrico” (que lo hizo acreedor de un premio Nobel). Pero, ¿Quién tenía entonces la razón?
Muy pronto (en 1909), el físico Geoffrey Ingram Taylor reportó el resultado de un experimento en el que las franjas de interferencia (propias de la ondas, no de las partículas) se producían con una fuente de luz tan débil, que solamente un fotón a la vez pasaba a través del aparato. Aun así, las franjas de interferencia se podían observar. Hasta nuestros días, el experimento se ha repetido numerosas veces y gracias a los foto-detectores sensibles, hoy se puede afirmar con certeza el arribo de fotones individuales (Fotón: Unidad de partícula de luz). La llegada de los fotones parece darse al azar, pero después de que han pasado muchos, se empieza a notar el típico patrón de interferencia con sus zonas de oscuridad (donde no llegaron fotones) y las bandas luminosas (donde han llegado muchos fotones):
Pero, ¿Cómo carajos puede suceder esto? La interferencia es un fenómeno propio de las ondas, pero los puntos localizados implican que la luz está formada por pequeñas partículas, no por ondas. ¿Por qué hay puntos en la pantalla en las partes brillantes del patrón de interferencia y ninguno en las oscuras? No podemos explicarlo diciendo que los fotones interfieren entre sí –lo mismo sucede cuando hay solamente un fotón en el aparato. ¿Se divide el fotón en dos y va a través de las dos ranuras?
Más de cien años han pasado y los físicos aún se están preguntando cómo es que una simple partícula puede producir interferencia y repiten estos experimentos con las herramientas técnicas y tecnológicas con que ahora se cuenta para ver si hay algo nuevo que aprender, pero las preguntas siguen sin responderse. ¿Qué es en realidad la luz? ¿Es una onda o una lluvia de fotones? Dijo muy frustrado Albert Einstein: “…parece como si debiéramos usar algunas veces una teoría y otras veces otra, mientras que a veces podemos usar cualquiera. Estamos frente a una nueva clase de dificultad. Tenemos dos imágenes contradictorias de la realidad; por separado ninguna de las dos explica el fenómeno de la luz, pero juntas sí lo hacen”. Así como esta imagen:
Las tentativas de explicar el comportamiento de la luz como partícula o como onda de electrones en términos de las ideas clásicas de ondas y partículas, provenientes de observaciones hechas sobre el comportamiento de la materia en gran escala, parece ser imposible. La contradicción esencial se da entre el comportamiento localizado de las partículas y el no localizado de las ondas, resumido por los primeros físicos en la frase “la dualidad onda-partícula de la materia” (ver la entrada: https://lalibretaciencia.wordpress.com/2017/04/13/un-vistazo-a-la-incertidumbre-en-fisica-cuantica/ ).
Numerosas respuestas se han dado desde entonces y serias disputas han surgido entre científicos de peso (como Einstein y Bohr), principalmente porque la subjetividad de cada investigador permea significativamente la interpretación de fenómenos objetivos y se han visto batallas épicas entre el materialismo y el idealismo en la mecánica cuántica, cuando se creía que eso sólo se veía en la filosofía.
El inmenso reto de comprender la mecánica cuántica es un proceso transversal e interdisciplinar donde no sólo deben participar físicos, químicos y matemáticos. Como anécdota, comento que desde que empecé a enredarme conocer este fascinante aspecto de la realidad, me llamó la atención la filosofía inherente a ella y confieso la profunda decepción que me llevé al leer en la introducción del libro de cabecera en mi curso introductorio, donde decía algo así como que la interpretación de la mecánica cuántica era responsabilidad únicamente de los filósofos porque el deber del científico era estudiar el fenómeno más a un nivel cuantitativo. ¿Acaso la ciencia no es filosofía también? ¿Es posible que los científicos se quiten toda carga filosófica para llegar a conclusiones objetivas? ¿Cómo es posible que siendo la mecánica cuántica una de las teorías más probadas y con más aplicaciones exitosas, sea a su vez una de las ramas de la ciencia más desconocidas?
Bueno, no más preguntas por ahora. Más adelante seguiremos compartiendo con ustedes más contenido sobre este tema y ojalá sea un abrebocas para que sigan profundizando por su cuenta, usando las enormes herramientas que nos brinda internet en nuestros tiempos.
Por: Máxima Entropía
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