19/4/2024
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Un mundo cuántico

Esta disciplina de la física nació en 1924. Hoy es la explicación más plausible a este universo raro y azaroso

Toni Pou - 09/09/2016 - Número 50
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Un mundo cuántico
heisenbergfamily.org
A principios de junio de 1924, a los 22 años, el físico alemán Werner Heisenberg sufrió un ataque de fiebre del heno. Puesto que el polen agravaba la enfermedad, buscó un emplazamiento libre de plantas y se instaló 10 días en la diminuta isla de Helgoland. Allí, entre paseos sobre los acantilados rojos, chapuzones en las frías aguas del mar del Norte y lecturas del Diván de oriente y occidente de Goethe, una noche sufrió una iluminación. “Eran las tres de la madrugada cuando por fin el resultado del cálculo estaba ante mis ojos […]. Quedé profundamente conmocionado […], casi pierdo el sentido, no podía conciliar el sueño”, escribió años más tarde sobre la experiencia. Esa misma noche, Heisenberg, todavía anonadado, abandonó la pensión donde se alojaba y en el otro extremo de la isla escaló hasta la cima de una roca que se adentraba en el mar. Allí esperó en silencio la salida del sol. Acababa de nacer la mecánica cuántica.

Durante esa noche de iluminación, Heisenberg no pensaba en las aplicaciones prácticas de la investigación que estaba llevando a cabo. Su objetivo principal era explicar el comportamiento de los electrones alrededor del núcleo atómico, un comportamiento que no se podía explicar con la física que se conocía en aquel momento. Heisenberg no era consciente de que lo que acababa de crear se convertiría en la teoría científica más precisa que se ha formulado jamás. Tampoco sospechaba, desde luego, que a principios del siglo XXI las aplicaciones a las que ha dado lugar la mecánica cuántica representarían una tercera parte de la economía mundial.

En un mundo cuántico

La comprensión de la estructura del átomo gracias a la mecánica cuántica ha permitido averiguar por qué brilla el sol, por qué es verde la hierba o por qué se produce el efecto invernadero. La naturaleza todavía hoy enigmática de los agujeros negros y del Big Bang también se estudia a partir de la mecánica cuántica. Además, la comprensión del átomo ha permitido averiguar cómo interactúan la luz y la materia. De este conocimiento han surgido aplicaciones como el láser, que permite leer los códigos de barras en los supermercados y almacenes, leer y grabar información en CD y DVD, imprimir imágenes con gran precisión y velocidad en las impresoras láser, generar luz para la comunicación por fibra óptica, cortar metales u hormigón y reparar las retinas de los miopes.

Heisenberg no sabía que acababa de crear la teoría científica más precisa que se ha formulado jamás

Sin la mecánica cuántica tampoco se habría desarrollado la generación de imágenes por resonancia magnética, que se está convirtiendo en la herramienta de diagnóstico más importante de la medicina. Tampoco se habría inventado el transistor, el invento con mayor impacto del siglo XX. Un transistor no es más que un dispositivo que deja pasar corriente eléctrica o la bloquea, y que además tiene la capacidad de amplificar dicha corriente. A pesar de esta funcionalidad tan simple, sin transistores no se hubiera desarrollado la electrónica moderna. Antes del transistor, en los años 50, estas funciones las llevaban a cabo válvulas de vacío del tamaño de un vaso. Cada una generaba tanto calor como una bombilla incandescente y costaba unos cuantos euros. Un transistor actual ocupa unas pocas millonésima de milímetro y cuesta alrededor de una millonésima de céntimo. Los ordenadores de hoy pueden contener más de diez mil millones de transistores. Si un ordenador actual se tuviera que construir a partir de válvulas de vacío, tendría un precio astronómico, ocuparía un estadio de fútbol y consumiría toda la energía producida en una central eléctrica.

Nuestro estilo de vida no se puede concebir sin el transistor. Llevamos miles de millones encima: en el móvil, en los relojes de pulsera, en los wearables… Y los utilizamos en todas partes: en los ordenadores, en los coches, en los microondas, en la nevera, en la lavadora y algunos hasta en el retrete.

El futuro será cuántico o no será

Las aplicaciones de la mecánica cuántica no terminan aquí. Investigadores de todo el mundo trabajan con los llamados átomos artificiales, conjuntos de pocas decenas de átomos que se comportan como uno solo y que permiten estudiar el sistema nervioso o actuar como detectores del cáncer de mama. En los últimos años también se ha hablado mucho de los ordenadores cuánticos, que utilizan fenómenos cuánticos para realizar operaciones a mucha mayor velocidad que el resto de ordenadores. Aunque actualmente todavía no superan en velocidad a los ordenadores convencionales, su potencial futuro es tal que Google y la NASA han adquirido uno por 10 millones de dólares. Además, con el objetivo de mejorar la tecnología, IBM ha puesto a disposición de todo el mundo un prototipo de ordenador cuántico situado en su laboratorio de Yorktown Heights en Nueva York.

Las aplicaciones de la mecánica cuántica que se desarrollarán en el futuro parecen estar limitadas solamente por la imaginación: desde los ya existentes sistemas de comunicación completamente seguros y la teletransportación de objetos microscópicos hasta la posible predicción de terremotos.

Una teoría que confunde

A pesar del éxito de la mecánica cuántica tanto desde el punto de vista de la ciencia básica como de las aplicaciones, sigue siendo una teoría cuya interpretación provoca dolores de cabeza a más de un físico. En el mundo que describe la mecánica cuántica —recordémoslo: una teoría comprobada experimentalmente hasta la saciedad— una partícula puede estar simultáneamente en dos sitios distintos o tener dos o más velocidades diferentes a la vez. Además, la mecánica cuántica se distingue de la física clásica porque no predice exactamente el resultado de un experimento, sino que predice la probabilidad de obtener cada uno de los resultados posibles. No es, por tanto, una teoría determinista en la que conocida la situación inicial se puede predecir exactamente la situación final de cualquier sistema físico. Según la interpretación estándar de la teoría, esta indeterminación no es consecuencia de nuestros errores en los experimentos ni de nuestra falta de conocimiento o información, sino que es una característica fundamental de la naturaleza. Lisa y llanamente, según la teoría cuántica, el futuro de un sistema físico no está completamente determinado por su pasado.

Por este tipo de absurdos, el físico Richard Feynman decía que si uno cree que ha entendido la mecánica cuántica es que no la ha entendido. Esta visión tan chocante del mundo que ofrece la mecánica cuántica, en la cual los sistemas físicos no tienen propiedades bien definidas y en la que no se puede predecir el resultado de un experimento sino tan solo su probabilidad, ha disgustado y sigue disgustando profundamente a algunos físicos eminentes, entre los cuales se contaba el mismo Einstein. El padre de la relatividad sostuvo siempre que se trataba de una teoría incompleta. Einstein defendía que las propiedades de la realidad física debían tener valores perfectamente definidos que permitieran calcular exactamente lo que sucedería en el futuro, y no el batiburrillo de valores que les atribuía la mecánica cuántica y que hace imposible cualquier predicción única y exacta.

El encuentro de Lindau

De todo esto, de los fundamentos y las aplicaciones de la mecánica cuántica, y de si la entendemos suficientemente o no, se habló en uno de los mayores acontecimientos científicos del año: el encuentro que hace unas semanas reunió en la ciudad alemana de Lindau a una treintena de premios Nobel de Física y Química.

Las aplicaciones de la mecánica cuántica que se desarrollarán solo están limitadas por la imaginación

“Bueno, pues Einstein estaba equivocado, muy equivocado”, explica David Gross, galardonado con el premio Nobel de Física en 2004, con quien AHORA tuvo la oportunidad de charlar en Lindau. “Y esto, si cabe, lo hace más humano”, continúa Gross. “Tuvo tanto éxito con la teoría de la relatividad que se pasó 30 años intentando modificar desesperadamente la mecánica cuántica para suprimir lo que le disgustaba. Y lo hizo ignorando los avances que se produjeron en la teoría cuántica durante las últimas décadas de su vida. Parte de él sabía que estaba condenado al fracaso, pero al fin y al cabo tenía el derecho de intentarlo. Lo más interesante del caso es que Einstein comprendió la mecánica cuántica mucho mejor que la mayoría de físicos de su época. Simplemente no aceptó sus consecuencias.”

Gerard ’t Hooft, premio Nobel de Física en el año 1999, piensa de otra manera. “Podría ser perfectamente que la mecánica cuántica sea solo una herramienta y no una teoría que describa la naturaleza fundamental de la realidad. Cuando hablamos de partículas que exhiben comportamientos cuánticos sorprendentes, estamos hablando de conceptos creados por la mente humana. Puede ser que el concepto de partícula no se corresponda con la naturaleza última del mundo. Tal vez, a escalas muy pequeñas, hay otro nivel de organización que se puede explicar con las herramientas de la física clásica y que es el origen de los fenómenos tan raros que describe la mecánica cuántica.” Según la interpretación de ’t Hooft, más cercana a la visión de Einstein, la teoría cuántica representaría una visión incompleta del mundo, cuyas misteriosas consecuencias serían producto de nuestra falta de conocimiento de la verdadera naturaleza fundamental de la realidad.

En este caso, como suele ser habitual, la imaginación ha avanzado más rápidamente que la tecnología, de manera que habrá que esperar todavía muchos años para saber cuál de las dos visiones es más correcta. Hasta que no haya experimentos que permitan poner a prueba las ideas de ’t Hooft, habrá que conformarse con la interpretación del mundo que ofrece la teoría cuántica; un mundo raro, azaroso e irreverente.

Relojes, mecánica cuántica y predicción de terremotos

Toni Pou
El tiempo se ha medido desde hace miles de años. Para hacerlo, basta con disponer de un suceso que se repita periódicamente y que sirva de referencia para definir la unidad de tiempo. Utilizando como referencia el movimiento del Sol, en el antiguo Egipto se construyeron los primeros relojes solares alrededor del año 1.500 antes de Cristo. Más adelante, en la Grecia clásica, se desarrollaron clepsidras y relojes de arena hasta que en el siglo XVII se inventó en los Países Bajos el primer reloj de péndulo. Este tipo de reloj funcionó muy bien hasta que a finales del siglo XIX se necesitó mayor precisión en algunos laboratorios. Y es que un reloj de péndulo está sujeto a errores de fabricación, a variaciones de temperatura que modifican la longitud del péndulo y con ello la duración de sus oscilaciones, y a variaciones en el campo gravitatorio terrestre que hacen que no funcione igual en partes distintas de la Tierra.

En 1927 se inventó el reloj de cuarzo, que toma como referencia las vibraciones que se producen en un cristal de cuarzo cuando se le aplica una corriente eléctrica. Los cristales de cuarzo se utilizan actualmente para medir el tiempo en la mayoría de relojes de pulsera, de pared, en ordenadores, en teléfonos móviles e incluso en marcapasos. Aun así, la duración de las oscilaciones de los cristales de cuarzo puede variar ligeramente cuando se producen cambios de presión y temperatura. Por eso en 1956, gracias al desarrollo de la mecánica cuántica, se concibió el primer reloj atómico. Este tipo de reloj utiliza como fenómeno periódico de referencia la oscilación de un átomo, que no depende de errores de fábrica ni de condiciones ambientales. Los relojes atómicos se acostumbran a construir con átomos de Cesio 133, cuya regularidad se utilizó en 1967 para definir oficialmente el segundo: desde ese momento, un segundo es el tiempo en el que se producen 9.192.631.770 oscilaciones del átomo de Cesio 133.

Los relojes atómicos no solo se utilizan en laboratorios de alta precisión como el CERN o en los telescopios más potentes del mundo, sino que también forman parte de nuestra vida cotidiana. Los satélites que conforman el Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés) utilizan relojes atómicos. Enviando y recibiendo señales luminosas de la Tierra y midiendo con mucha precisión los tiempos de llegada de estas señales se puede calcular la posición de un objeto en la superficie terrestre. En el sistema GPS, un error de una millonésima de segundo en la medición de dichos tiempos implica un error de 300 metros en la posición, con lo que el sistema resultaría inútil. La precisión de estos relojes supera las doscientas millonésimas partes de segundo.

La precisión de los relojes atómicos más sofisticados que existen en la actualidad es abrumadora. Si uno de estos relojes se hubiera puesto en marcha cuando nació el Universo, es decir, hace 13.800 millones de años, ahora estaría retrasado únicamente una fracción de segundo. Esta precisión permite pensar en sistemas de navegación que alcancen una precisión de pocos milímetros en el cálculo de la posición. “Esta precisión —explica David Wineland, premio Nobel de Física en 2012— permite detectar si un punto de la superficie terrestre se mueve respecto de otro punto situado a kilómetros de distancia. Y sabemos que este tipo de movimientos está asociado a las tensiones que se producen en la corteza terrestre antes de los terremotos. Por lo tanto, esta tecnología podría permitir la predicción de terremotos.”