Fenómenos cuánticos

La teoría cuántica es una teoría de la física que estudia el comportamiento de las partículas más diminutas de la materia: átomos, electrones, protones, neutrones, etc. Estas partículas son tan pequeñas, que no pueden verse ni con los microscopios más potentes; pero estas partículas, al unirse en conglomerados enormes, forman todas las sustancias, cosas y seres vivos que vemos en nuestro entorno, y también a nosotros mismos (nuestros cuerpos también están constituidos por dichas partículas).

La teoría cuántica fue desarrollada por varios de los científicos más notables de la historia (Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Pauli, Born, De Broglie, Schrodinger, Dirac, etc.) en el período de 1900 a 1927. Esta teoría se fue creando a partir de numerosos experimentos con las partículas fundamentales de la materia; estas partículas (como mencioné antes) no pueden verse por ser extraordinariamente pequeñas, pero sí pueden detectarse con aparatos especiales. La teoría cuántica ha demostrado que las partículas fundamentales manifiestan los fenómenos más extraños y alucinantes. A continuación describo brevemente estos fenómenos cuánticos, aunque de modo muy simplificado, ya que la teoría cuántica es una teoría matemática extremadamente compleja.

Cuantización de la energía

Las partículas no pueden tener cualquier cantidad arbitraria de energía, sino sólo valores específicos y salteados. Para entender esto, consideremos la siguiente analogía ficticia: es como si los automóviles de una ciudad sólo pudieran moverse a ciertas velocidades salteadas (10 Km/h, 20 Km/h, 30 Km/h, 40 Km/h, etc.) y no pudieran tener velocidades intermedias. Por ejemplo, un auto podría ir a 20 Km/h, y aunque el conductor pisara el acelerador, el auto continuaría moviéndose a la misma velocidad, sin importar cuan fuerte oprimiera el pedal. Sólo cuando el auto acumulara cierta energía necesaria, cambiaría abruptamente a la siguiente velocidad de 30 Km/h. Es decir, el auto saltaría de los 20 a los 30 Km/h instantáneamente, sin pasar por las velocidades intermedias. Este fenómeno imaginario que nos parecería tan extraño en los automóviles, es lo que ocurre realmente con las partículas. Las partículas se comportan bruscamente, “a saltos”.

Dualidad onda-partícula

Cuando las partículas no son detectadas (“observadas”) por un aparato, se comportan como ondas. Es decir, se “desparraman” por el espacio, como las olas en el mar. En este caso, las partículas no tienen un tamaño ni una posición bien definida, y pueden hacer cosas increíbles; por ejemplo, una sola partícula puede pasar al mismo tiempo por dos orificios distintos separados por cierta distancia. Y esto no significa que la partícula se fragmente en dos pedazos que pasen cada uno por un orificio; en todo momento es una sola partícula, pero desparramada como onda puede pasar simultáneamente por los dos orificios.

Decoherencia cuántica

Una partícula se comporta como onda cuando no es detectada; pero en el momento en que un aparato la detecta (la “observa”) la onda se “convierte” instantáneamente en una partícula, con un tamaño y una posición bien definida. A este fenómeno se le denomina “decoherencia” o “colapso de la función de onda”.

Por lo tanto, una partícula nunca puede ser directamente detectada como una onda, porque en el momento en que se detecta (se “observa”) con un aparato, se “colapsa” instantáneamente en una partícula. Pero, ¿entonces porque la teoría cuántica afirma que las partículas se comportan como ondas si nunca se pueden detectar como tales? Porque hay experimentos que sólo pueden explicarse si las partículas se comportan como ondas, aun cuando sean detectadas como partículas; un ejemplo es el experimento de interferencia de electrones.

Superposición de estados

En el tiempo que la partícula se comporta como onda (cuando no es detectada) no se puede decir con certeza cuáles son sus propiedades y sólo es una “mezcla de posibilidades” (superposición de estados). Por ejemplo, no se puede decir cuál es su posición exacta; se encuentra en distintos lugares al mismo tiempo. Pero en el momento en que se usa un aparato para detectarla (“observarla”), la partícula aparece instantáneamente (decoherencia) en alguna posición específica (dentro del espacio donde se desparramaba la onda) que no podía predecirse con exactitud, sino sólo con cierta probabilidad.

Esta superposición de estados ocurre no solamente con la posición de la partícula, sino con otras de sus propiedades (velocidad, energía, sentido de giro, etc.). Mientras no es detectada (“observada”), la partícula tiene al mismo tiempo propiedades diversas y contradictorias.

Haciendo otra analogía ficticia, es como si existiera un gato que, cuando nadie lo viera, fuera simultáneamente de pelaje blanco y de pelaje negro, grande y pequeño, de ojos amarillos y de ojos verdes, gordo y flaco. ¡Todo a la vez! Pero en el instante en que lo observáramos, nuestro “gato cuántico” colapsaría instantáneamente en una de las opciones: blanco, pequeño, de ojos amarillos y gordo (por ejemplo). Después, al dejar de verlo, otra vez sería una “superposición de gatos”; y al volver a mirarlo, colapsaría nuevamente en una opción, pero no necesariamente en el mismo estado anterior, sino probablemente en otro distinto: negro, pequeño, de ojos verdes y flaco (por ejemplo). Y así, con cada nueva observación tendríamos un gato distinto, aunque todo el tiempo ¡sería el mismo gato! Esta situación imaginaria tan demencial es lo que ocurre en la realidad con las partículas.

Incertidumbre cuántica

En las partículas hay pares de propiedades que no se pueden medir de manera exacta al mismo tiempo. Un ejemplo es la posición con la velocidad. Si se hace un experimento para determinar con exactitud la posición de una partícula, es imposible determinar su velocidad; si se hace otro experimento distinto para determinar con exactitud la velocidad de la partícula, es imposible determinar su posición. Otro par de propiedades con esta característica es la energía de la partícula con el tiempo de medición (y hay otras más raras). Es decir, en tanto una de las propiedades se mida exactamente, la otra “se hace borrosa”, y al revés. A este fenómeno se le denomina “principio de incertidumbre”.

Para entender mejor esto, retomemos la analogía de nuestro gato cuántico: es como si hubiera dos características de nuestro gato que no pudiéramos determinar con exactitud al mismo tiempo. Supongamos que estas características fueran su color (blanco o negro) y su sexo (macho o hembra). Según el principio de incertidumbre, en el momento de levantar su cola para ver si es macho o hembra, su color se haría borroso; y a la inversa, si nos fijáramos atentamente en su pelaje para ver su color, sus genitales se harían borrosos. ¡Delirante ¿no?!

Tuneleo cuántico

Otra propiedad asombrosa de las partículas es que pueden escapar de confinamientos cerrados aun cuando no tengan la energía necesaria para lograrlo. Volviendo a la analogía de nuestro gato cuántico, es como si nuestro gato (cuando nadie lo viera) pudiera traspasar las paredes de la casa para ir a vagabundear cuando quisiera. De igual manera las partículas pueden atravesar barreras impenetrables.

Podría pensarse que las partículas, por ser tan pequeñas, escapan a través de los poros de las paredes que las mantienen confinadas, pero no es así. A nivel de partículas es incorrecto pensar que se encierran utilizando paredes con poros. Las partículas, al ser tan diminutas, sólo se pueden confinar por medio de fuertes campos eléctricos o magnéticos; y este tipo de barrera no tiene poros. Por lo tanto, una partícula no debería ser capaz de atravesar estas barreras. Sin embargo, se ha comprobado experimentalmente que las partículas sí escapan (aunque debería ser imposible) y a este peculiar fenómeno se le denomina “tuneleo cuántico”.

El tuneleo cuántico se explica por las propiedades de onda de las partículas; en su forma de onda las partículas pueden traspasar las barreras que las confinan.

Entrelazamiento cuántico

Finalmente, otro extraño fenómeno cuántico consiste en que dos partículas pueden estar “conectadas” aunque no exista ningún “conector” físico entre ellas y aunque estén separadas por una distancia inconmensurable. A este fenómeno se le denomina “entrelazamiento cuántico” y ocurre cuando una sola partícula da origen a dos partículas que surgen, de este modo, entrelazadas.

Suponiendo un ejemplo imaginario, podríamos tener una partícula aquí en la Tierra y su partícula entrelazada en la galaxia de Andrómeda (situada a 2.5 millones de años luz de distancia). Si afectáramos de alguna manera a la partícula aquí en la Tierra, la partícula de Andrómeda también se afectaría de modo instantáneo, sin que hubiera algo físico que las comunicara. Como si las partículas “gemelas” estuvieran ligadas por una “acción fantasmal a distancia”.

Todos estos estrambóticos fenómenos cuánticos evidencian que las partículas fundamentales de la materia no son “cosas” como las que percibimos en nuestro entorno cotidiano. Estas partículas son algo tan lejos de la experiencia humana que es imposible imaginar. En el estudio elemental de la física y la química, comúnmente se representa a las partículas como simples “bolitas”. Pero estas representaciones no se parecen en nada a lo que son “realmente” dichas partículas; y no se puede hacer representaciones mejores, ya que simplemente es imposible representar “fielmente” a las partículas fundamentales de la materia, dado que nadie tiene idea (y nadie puede tener idea) de cómo son “en realidad”. Sin embargo, estos diminutos entes alucinantes, por inconcebibles que parezcan, son los ladrillos que construyen toda la materia que forma nuestro mundo y el universo.

Como conclusión, cito a continuación una frase del científico Niels Bohr (uno de los principales creadores de la teoría cuántica): “Si alguien que escucha por primera vez la teoría cuántica no queda totalmente aturdido y desconcertado, significa que no entendió absolutamente nada”.