¿Es siquiera posible comprender la mecánica cuántica?

Un gran problema de la física es que la inventaron los seres humanos. Vemos cosas a nuestro alrededor y utilizamos nuestras observaciones para construir un modelo mental del mundo. Los niños hacen esto y, por supuesto, los físicos siguen haciéndolo de adultos. En muchos casos, esto es fantástico. Así es como llegamos a las leyes del movimiento de Newton. Pero todo se complica cuando intentamos imaginar el comportamiento de cosas minúsculas e invisibles, como las partículas subatómicas.

Este es el "reino cuántico", como lo llaman en Ant-Man. En realidad, no es un lugar al que puedas ir con un traje especial; ya estás en él, y está dentro de ti. Pero los fenómenos cuánticos son tan extraños que esta capa profunda de la realidad bien podría ser un universo alternativo. El físico Richard Feynman dijo en una ocasión una frase célebre: "Nadie entiende realmente la mecánica cuántica".

Feynman no quería decir que no podamos explicar el comportamiento cuántico. Hoy en día disponemos de modelos que predicen resultados cuánticos con una precisión increíble. Lo que quería decir es que es imposible llegar a comprenderlo por completo desde nuestra perspectiva a escala macroscópica. Lo que estoy a punto de contarte es cierto, y no tiene ningún sentido. Solo hay que aceptar lo absurdo y partir de ahí.

Para verlo en acción, repasemos uno de los experimentos más famosos de la ciencia: el experimento de la doble rendija. Thomas Young utilizó por primera vez este montaje en 1801 para demostrar que la luz se propaga en forma de ondas. Más tarde, en 1961, Claus Jönsson construyó una versión minúscula para demostrar que las partículas subatómicas con masa también se comportan como ondas.

Piénsalo. En nuestro mundo de cosas grandes, si lanzas una pelota a un estanque, se forman ondas, ¿verdad? Pues bien, en el ámbito cuántico, es como si la materia física fuera a la vez una pelota y una onda. Y me temo que a partir de ahí la cosa se vuelve aún más loca.

El experimento de la doble rendija

Empecemos por el mundo de las cosas grandes. Imagina una pared con dos aberturas estrechas y verticales, y tenemos una máquina que lanza pelotas de tenis. Algunas golpean la pared, otras pasan por la izquierda y otras por la derecha. Detrás hay una segunda pared cubierta de velcro, de modo que cuando una pelota golpea esta pared trasera, se queda pegada. ¿Cómo se ve eso?

Lanzador de pelotas, ventanas y pared.

Cortesía de Rhett Allain

Como cabría esperar, las pelotas acaban formando dos grupos, que se corresponden con las dos aberturas. Pero, ¿qué pasaría si hiciéramos el mismo experimento con rendijas minúsculas y una máquina que lanzara electrones? Bueno, solemos imaginarnos los electrones como pequeñas bolas que orbitan alrededor de un núcleo atómico, así que, por analogía, cabría esperar un resultado similar en la pantalla. Pues no. En lugar de dos grupos de impactos de electrones, obtenemos múltiples bandas:

Cortesía de Rhett Allain

Esto es muy similar a lo que se observa cuando la luz atraviesa dos rendijas, tal y como descubrió Thomas Young. Dado que la luz es una onda, ocurre lo siguiente: en primer lugar, se produce difracción. A medida que la luz atraviesa cada abertura, se expande como una ola del mar que pasa por un hueco en un dique. En segundo lugar, las ondas procedentes de las dos rendijas se superponen y crean un patrón de interferencia.

Ilustración: Science History Images/Alamy

Donde las ondas están en fase, se obtiene un punto brillante. Donde están desfasadas, se obtiene un punto oscuro. Así es como se ve en la vida real con un láser rojo como fuente de luz:

Cortesía de Rhett Allain

Así pues, si los electrones producen un efecto similar al de la luz, ¿podemos modelar estas diminutas partículas de materia como ondas? Sí, y esta es la idea que subyace a la ecuación de Schrödinger, que constituye la base de la mecánica cuántica. Nos indica cómo cambia un sistema cuántico a lo largo del tiempo y el espacio.

Superposición

Eso es útil, pero no del todo satisfactorio. Seguimos queriendo saber qué está pasando aquí. ¿Son los electrones realmente como ondas que atraviesan ambas rendijas e interfieren, o cada electrón pasa por una sola rendija como una pelota de tenis? La respuesta es… sí. Las dos cosas.

Podemos ajustar nuestro cañón de electrones para que dispare solo un electrón cada vez. ¿Y adivina qué? Incluso cuando los electrones pasan de uno en uno, de modo que no pueden interferir entre sí, con el tiempo surge el mismo patrón de interferencia de múltiples bandas. De alguna manera, están interfiriendo consigo mismos.

Por eso, los físicos no decimos que el electrón pase por una u otra rendija. En su lugar, decimos que la partícula se encuentra en un estado de superposición: es una combinación de pasar por la rendija izquierda y pasar por la rendija derecha.

¡Espera! ¿No podríamos determinar realmente por qué rendija ha pasado un electrón? Por supuesto que sí. Podemos colocar una minúscula fuente de luz cerca de cada rendija y, si la luz se refleja en el electrón, sabremos por cuál ha pasado.

Pero, ¿sabes qué? Si utilizas un detector como este, ya no obtienes el patrón de interferencia. Obtienes un resultado que parece indicar que el electrón ha atravesado una sola rendija (como el patrón de la pelota de tenis). ¡El patrón de doble rendija solo se produce si no lo mides! Decimos que la medición "colapsa la función de onda" de un sistema, de modo que el electrón ya no se encuentra en superposición.

Pero eso es una tontería, ¿verdad? Es una locura que el acto de medir cambie el resultado. ¿Significa esto que los experimentos de física pueden cambiar la realidad? Quizás.

¿Y qué hay de ese gato zombi?

Antes mencioné a Erwin Schrödinger. Fue uno de los pioneros de la teoría cuántica, pero no se atrevía a aceptar esta idea de la superposición. Basándose en su sentido común del mundo macroscópico, insistía en que debía haber un fallo en el modelo y que una teoría completa de la mecánica cuántica acabaría siendo determinista, como la física clásica.

Cuando a los científicos no les gusta algo, inventan escenarios absurdos para invitar a que se ridiculice a sus defensores. Así que Schrödinger creó un famoso experimento mental del que quizá hayas oído hablar. Se llama "el gato de Schrödinger" y es así:

Hay un gato en una caja. Esta caja también contiene un átomo radiactivo, un detector y un frasco de veneno. Si el átomo se desintegra y produce radiación, el detector abrirá el frasco y el gato morirá. Pero si la caja está cerrada, el átomo se encuentra en un estado de superposición, estando a la vez desintegrado y sin desintegrarse (lo que significa que el gato está a la vez vivo y muerto). Solo cuando se abre la caja y se observa al gato, su función de onda colapsará en uno de los dos estados: vivo o muerto.

Buen intento, pero el escenario de Schrödinger fue fácilmente refutado. En primer lugar, nadie afirmaba que la superposición se aplicara a objetos grandes como los gatos. En segundo lugar, ya se había realizado una medición antes de abrir la caja: el dispositivo que libera el veneno estaba monitoreando el estado del átomo.

De hecho, Schrödinger se equivocaba (al igual que Einstein, que estaba de acuerdo con él). Desde entonces, numerosos experimentos han demostrado que la superposición es real y que la incertidumbre es fundamental para el universo. Y menos mal que lo es, aunque no tenga sentido. La superposición es lo que confiere a las computadoras cuánticas su inmensa capacidad de procesamiento paralelo.

Cara o cruz

Es importante comprender que la superposición de estados no equivale a decir que no lo sabemos. Si lanzas una moneda al aire y la tapas cuando cae, la moneda ya es cara o cruz; simplemente aún no sabes cuál de las dos. En el experimento de la doble rendija, lo sabemos: pasa por una sola rendija y pasa por ambas rendijas.

Los sistemas cuánticos tienen otras propiedades que te dejarán la cabeza a mil si intentas comprenderlas, como el entrelazamiento, en el que medir el estado de una partícula determina el estado de otra por muy lejos que esté. Esto ocurre al instante, sin que haya tiempo para que una señal viaje entre ellas.

Pero a estas alturas se trata de fenómenos bien establecidos, así que, ¿es justo calificarlos de extraños? ¿Acaso solo estamos poniendo de manifiesto las limitaciones de nuestras mentes humanas? Está claro que el nivel de realidad en el que vivimos es solo una parte de la historia, por lo que deberíamos ser escépticos con respecto a nuestra intuición. Como mínimo, la mecánica cuántica nos enseña humildad. Seguimos haciendo ciencia y, al parecer, cuanto más avanzamos, mayor es el misterio.

Artículo originalmente publicado en WIRED.com. Adaptado por Andrea Baranenko.