El incomprensible comportamiento de los átomos y sus partículas

   En 1871 James C. Maxwell, creador de la teoría electromagnética, expresando el sentir de la época dijo en una clase magistral en la Universidad de Cambridge: "En unos pocos años habremos determinado con una buena aproximación las grandes constantes de la Física. A partir de ahora la única ocupación de los científicos será extender la precisión de las medidas a un nuevo decimal." 

Este sentimiento optimista se basaba en que la mayoría de los fenómenos podían explicarse mediante lo que hoy llamamos la Física Clásica (es decir, la mecánica de Newton, la teoría electromagnética de Maxwell, la termodinámica y la mecánica estadística de Boltzmann). Parecía que sólo quedaban por resolver unos pocos problemas no demasiado importantes. Uno de ellos era la determinación de las propiedades del éter sobre el que se propagaban las ondas electromagnéticas en el espacio. Otro era cómo explicar la radiación del cuerpo negro (el cuerpo que no refleja nada de luz).

Sin embargo, lo que en ese momento parecían pequeños problemas resultaron ser la semilla de las dos ramas de la Física que en el siglo XX le dieron la vuelta a esta ciencia hasta tal punto que se necesitó un replanteamiento radical de los conceptos científicos y filosóficos que existían hasta entonces.

Por un lado, los resultados de los experimentos para determinar cómo se propagaban las ondas electromagnéticas dieron pié a Albert Einstein para formular la Teoría de la Relatividad. 

 Por otro lado, la imposibilidad de explicar por las leyes clásicas como radiaban la energía los cuerpos negros sugirió a Max Planck (en un acto de desesperación y aún sin verle sentido) la idea de que la energía no se intercambia de forma continua sino de forma discreta como múltiplo de una unidad de energía mínima (a la que le llamó cuanto). Sorprendido, comprobó que con esta hipótesis se explicaban con absoluta precisión los resultados experimentales. La idea del cuanto fue el germen de la Mecánica Cuántica y le valió a Planck el Premio Nobel de Física de 1918.

La Mecánica Cuántica se ocupa del fascinante y paradójico mundo del comportamiento de la materia y la radiación en las escalas atómica y subatómica. Trata de describir y explicar las propiedades de las moléculas, los átomos y sus constituyentes: protones, neutrones, electrones, quarks, gluones, etc. 
Esas propiedades incluyen las interacciones de las partículas entre sí y con la radiación electromagnética.

Matemáticamente la Mecánica Cuántica es relativamente fácil de entender (para los matemáticos). Sus ecuaciones predicen los resultados de los experimentos con una precisión admirable pero lo que realmente significan esas ecuaciones es imposible de entender para los profanos y para la mayoría de los expertos. En realidad si nos paramos a pensar y lo analizamos lógicamente no hay ninguna razón para pensar que el comportamiento del mundo atómico y subatómico deba seguir las mismas pautas que el mundo macroscópico que observamos en nuestra experiencia diaria. La Física Clásica se creó sobre infinidad de experimentos del mundo macroscópico y eso era lo que explicaba maravillosamente bien pero no incluía el mundo microscópico que ni siquiera se conocía.

Para anticiparnos a la típica reacción de incredulidad de quién se acerca por primera vez a los principios de esta disciplina vamos a empezar por ver algunas opiniones sobre la Mecánica Cuántica de algunos de los científicos (todos ellos premios Nobel de Física) que más se destacaron en el desarrollo de esta nueva rama de la Ciencia.

Niels Bohr (Nobel 1922): "Quién no se siente impactado por la Mecánica Cuántica es que no la conoce".

Richard Feynman (Nobel 1965): "Pienso que se puede afirmar tranquilamente que nadie entiende la Mecánica Cuántica... No te pongas a repetir, '¿pero cómo puede ser así?' porque te meterás en un callejón sin salida del que nadie ha escapado. Nadie sabe cómo puede ser así".

Erwin Schrödinger (Nobel 1933): "No me gusta (la Mecánica Cuántica) y me disgusta haber tenido que ver con ella".

Albert Einstein, a pesar de haber sido uno de los pilares iniciales de la Teoría Cuántica explicando el efecto fotoeléctrico (por lo que recibió el Nobel en 1921) fue muy crítico con la nueva teoría, decía que la teoría "caía en la fantasmal" y no aceptó su carácter probabilístico. Al final de su vida escribió : "Todos estos cincuenta años de cavilación consciente no me han acercado a la respuesta de la pregunta '¿Qué son los cuantos de luz?' Hoy en día cualquiera puede creer que lo sabe, pero está equivocado".

Paul Dirac (Nobel 1933): "Ni siquiera con palabras podemos explicarla bien".

Werner Heisenberg (Nobel 1932): "Todas las palabras o conceptos que usamos para describir objetos físicos ordinarios como posición, velocidad, color, tamaño, etc., se vuelven indefinidos y problemáticos si tratamos de usarlos aplicados a las partículas elementales".

Stephen Hawking opina que comprender el funcionamiento íntimo de la naturaleza no es lo más importante y que lo que realmente importa es contar con una teoría que nos permita hacer predicciones de lo que va a ocurrir.

El experimento de la doble ranura

Empecemos por describir un experimento del que Richard Feynman dice: “Es absolutamente imposible explicarlo de alguna manera clásica. Su contenido es el corazón de la Mecánica Cuántica. En realidad sólo contiene misterio ...”. Consiste en lanzar partículas, una a una, sobre una barrera que tiene dos rendijas y observar como después de atravesar las rendijas llegan a una pantalla situada detrás. El experimento, que es totalmente repetible, se ha realizado con electrones, protones, neutrones y hasta con moléculas de fullerenos, (compuestas por 60 átomos de carbono con formas de balones de fútbol) y siempre se han obtenido los mismos sorprendentes resultados. Pero en vez de describir textualmente los detalles del experimento vamos a utilizar el siguiente video, que va orientado a un público juvenil, y lo explica de forma muy esquemática y muy clara.

Entrelazamiento cuántico

En otro tipo de experimento se puede comprobar que en determinadas circunstancias dos o mas partículas quedan relacionadas entre si en un estado especial que se ha denominado "estado entrelazado". El entrelazamiento entre partículas constituye un fenómeno cuántico fundamental que no se ajusta a la realidad a la que estamos acostumbrados. Cuando se observan partículas entrelazadas se comprueba que sus propiedades están correlacionadas aunque las partículas estén físicamente separadas. Recientemente un equipo internacional liderado por Anton Zeilinger de la Universidad de Viena ha publicado en Nature un estudio en el que ha comprobado el entrelazamiento cuántico de dos fotones distantes 143 Km, uno en la isla de La Palma y otro la de Tenerife.

Un cambio total

Estos y otros muchos experimentos realizados desde comienzos del siglo XX llevaron a los científicos a la conclusión de que el mundo de los átomos y de las partículas que lo componen no se rigen por los principios del mundo macroscópico sino por otros totalmente nuevos y extraños que poco a poco fueron descubriendo. Además del principio de cuantización de la energía de Planck, antes mencionado, se han descubierto estos otros principios:

Principio de dependencia del observador, por el que es imposible, por razones de principio, efectuar una medición sobre un sistema sin perturbarlo. Si observamos un experimento relacionado con la colisión de una determinada partícula, el resultado obtenido está afectado por el hecho de que lo estamos observando. De acuerdo con la mecánica cuántica, la objetividad no existe. Los detalles de la naturaleza de esta perturbación y la forma en que ella ocurre son todavía asuntos controvertidos.

Principio de dualidad onda-partícula, por el que las partículas se comportan a veces como onda y a veces como partículas, existiendo una relación precisa entre la masa de cuando se comporta como partícula y la frecuencia de vibración de cuando se comporta como onda. (A través de E=mc2 y de E= hv).

Ecuación de onda de Schrödinger. Si desconcertante es el hecho de que la materia se comporte como una onda, más desconcertante aún resulta la explicación de que esa naturaleza ondulatoria de la materia esté asociado a un comportamiento probabilístico. En 1924 Erwin Schrödinger comprobó que si un experimento con una partícula se repetía de forma totalmente idéntica, la partícula se encontraba cada vez en una posición diferente. A raíz de esto desarrolló su famosa ecuación que describe con total precisión las probabilidades de que la partícula se encuentre en cada una de las posiciones del espacio así como su evolución en el tiempo.

Principio de incertidumbre de Heisenberg. En 1927, Werner Heisenberg demostró que la precisión con que se pueden conocer la posición y la velocidad de una partícula son inversamente proporcionales. Es decir si se mide con precisión la posición se obtiene gran error en la velocidad y viceversa. De igual manera demostró hay otras magnitudes que le ocurre lo mismo y que esto es un hecho fundamental de la naturaleza que se da para todas las partículas independientemente de los instrumentos y de los métodos de medición empleados. A consecuencia de esto, en la interpretación actual, el principio de incertidumbre de Heisenberg se expresa diciendo que no es que no seamos capaces de hacer mediciones precisas por problemas de habilidad o de instrumentación sino que realmente las partículas no tienen unos valores concretos para esos pares de variables (posición-velocidad, energía-tiempo, etc). Es decir, no es un problema de conocimiento sino de que en la naturaleza se da realmente esa fluctuación de las propiedades. Además el hecho de que en ese límite aparezca también la constante de Planck demuestra que esa constante es la medida universal de la indeterminación introducida en las leyes naturales por el dualismo de las ondas y los corpúsculos.

Interpretación de Copenhague

Pero una cosa son los principios enumerados, en la que los expertos están de acuerdo y otra cosa es entender las ideas que subyacen en esos principios. Si, las cosas son tan raras que los expertos en estas materias han formulado a lo largo de los años diversas interpretaciones, cada una con sus ventajas y sus inconvenientes. En 1927 Bohr presentó lo que desde entonces se conoce como interpretación de Copenhague que ha sido tradicionalmente considerada por muchos como la forma oficial de interpretar la Mecánica Cuántica. De acuerdo con esa interpretación el resultado de un experimento cuántico es aleatorio y su probabilidad viene definida por la función de onda. En el acto de la observación esa probabilidad difusa se convierte en un resultado concreto que es lo que los expertos llaman "el colapso de la función de onda". Un problema de esta interpretación es que no ofrece ninguna explicación de cómo se produce este colapso. Y otro problema es que de esta interpretación se deduce que la realidad física no existe sino que se crea en el momento de observar.

¿Es la realidad así de complicada?

En su libro "El universo elegante" Brian Greene dice: "Los expertos en mecánica cuántica son expertos porque saben aplicar unos métodos de cálculo con los que pueden predecir resultados experimentales pero sin comprender del todo por qué funcionan estos métodos o qué significan realmente. Ante esta situación caben 2 explicaciones:

• Una. A nivel microscópico, el universo funciona realmente de una forma tan extraña, que la mente humana, que ha evolucionado para comprender los fenómenos de la vida cotidiana, es incapaz de comprender plenamente lo que en realidad pasa a nivel microscópico.
• Dos. Los científicos han construido una formulación de la Mecánica Cuántica tan extraordinariamente complicada, que aunque sus ecuaciones sirven para predecir cuantitativamente los resultados experimentales, no nos deja entender la verdadera naturaleza de la realidad. Realidad que si se abordara de otra forma si podría ser entendida.

Pero no sabemos cuál de las dos explicaciones es la más acertada. Tal vez las dos."

Conclusión

Es frecuente criticar la Mecánica Cuántica diciendo que no es determinista, ni causal, ni completa, ni realista, ni local, ni objetiva, etc., pero estas críticas hay que interpretarlas más como una insatisfacción con el comportamiento observado del mundo de los átomos y las partículas, que como objeciones a la propia teoría cuántica por reflejar dicho comportamiento. A pesar de ser contraria a nuestra intuición y prejuicios clásicos es la mejor descripción de esa parte de la Naturaleza que ninguna otra encontrada hasta ahora y es además la teoría mejor comprobada experimentalmente en la historia de la Ciencia. No da razones últimas de por qué la Naturaleza es como parece ser, o de si podría ser de otra forma, pero reproduce correctamente los comportamientos observados. Aunque algunas de sus características desafíen al sentido común, no contiene contradicciones internas, explica todos los resultados experimentales conocidos con una precisión de hasta 20 cifras significativas y ha permitido numerosas predicciones sobre nuevos fenómenos que hasta ahora siempre se han confirmado. Ello no la convierte en un dogma indiscutible, pero tampoco se puede considerar como una mera construcción social o un simple consenso entre quienes se dedican a ella. En cualquier caso no se debe ignorar que un siglo después de su descubrimiento, alrededor del 30% del producto interior bruto de los EEUU depende de inventos (semiconductores, láser, resonancia magnética, superconductividad, etc) basados en la Mecánica Cuántica.

Juan Rojas