Mecánica cuántica para todos y todas

Hace unos días, me encontré bastante apagado, como si estuviera deprimiéndome. No era por el blog, pero tanto vosotros y vosotras sabréis, que a veces es necesario un revulsivo para encontrar las ganas de nuevo. Tras unas noches dándole vueltas, decidí preguntaros a aquellos y aquellas que me leéis, a través de las redes sociales, sobre: ¿Qué podía hacer?

Varios de vosotros me distéis consejos, y ideas, pero fue mi colega Blogger @FenrirVasyl, quién me pidió que escribiese sobre mecánica cuántica (si, has leído bien). Por unos segundos dudé: ¿Qué narices sé yo sobre eso? Si soy de letras...

Entonces recordé algo que se me había olvidado por unos instantes, y es que soy un "friki" orgulloso de serlo. Y muchas historias, de libros, cómics, películas o series que me encantan, tocan aunque sea de refilón la mecánica cuántica. Por eso me he decidido a traeros al menos un post, relativamente "básico", sencillo, y para toda la familia, hablando sobre ella, y si la cosa funciona, este será el primero de muchos post donde vosotros y vosotras me podréis pedir, que hable de ciertos temas, siempre orientándolos a que personas con diversidad funcional puedan entenderlos y disfrutarlos con nosotros. Vamos a sumergirnos en este estanque tan profundo...¡¡Allá vamos!!

Índice: 

Definición 

La mecánica cuántica es la ciencia que estudia las características y el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas. Como dijo el catedrático José Ignacio Latorre de la Universidad de Barcelona:

El futuro será cuántico o no será. Y el mañana que nos espera es apasionante. La cuántica nos permitirá hacer lo que hasta ahora sólo podíamos soñar.

La mecánica cuántica, junto con la teoría de la relatividad, compone lo que hoy en día se conoce como física moderna. Para que os hagáis una idea, cuando vemos el mundo de lo microscópico, las leyes que rigen ese mundo no son las mismas que las que vemos en nuestro día a día, son leyes más sutiles, más peculiares, y esas leyes que se están empezando a descubrir, es la mecánica cuántica.

Imagen que representa la mecánica cuántica
Imagen que representa la mecánica cuántica

Pero el hombre, muy poco a poco, durante el siglo XX y durante el siglo XXI ha logrado comprenderlas y actualmente estamos en la situación de empezar a comprenderlas para intentar aprovecharlas de alguna forma. La definición, aunque pueda parecer sencilla, he de decir, que es de las pocas cosas que he entendido sobre este universo autónomo que es la física.

Historia: 

Cuando Max Planck inventó la teoría cuántica en 1900, pensó que solo era un truco matemático. Pero su “truco” explicaba por qué los físicos de la época no podían responderá esta pregunta: “¿Cuál es la naturaleza de la luz emitida por una llama o cualquier otro cuerpo caliente?” Sabían que la luz era una onda electromagnética generada por partícu­las cargadas eléctricamente, como los electrones, pero el problema era que los cálculos que usaban para aplicar esta teoría contradecían los resultados del laboratorio del espectro de luz generado por objetos calientes.

Planck probó varias soluciones para resolver el problema antes de dar con la idea de que la luz es emitida por medio de energías “cuánticas”, múltiplos exactos de cierta cantidad mínima, o “cuanto”. A esto lo llamó “un acto de desesperación”, pero produjo el espectro correcto de luz de un cuerpo caliente y eso le valió el Premio Nobel en 1918. Después, Albert Einstein y Niels Bohr obtuvieron sus propios premios Nobel al extender el trabajo de Planck. Einstein mostró que la luz viene en discretos paquetes de energía, luego llamados fotones, y Bohr planteó que los electrones en un átomo absorben o emiten fotones al tiempo que brincan entre niveles de energía cuántica.

Fue asombroso encontrar que el mundo operaba de esta extraña manera. Ahora se sabe que los saltos cuánticos y todo lo demás son reales. Pero, ¿por qué la humanidad no notó los “cuantos” hasta 1900? Porque hablamos de una cantidad de energía muy pequeña. Incluso el febril brillo de una vela representa un torrente de fotones (trillones por segundo). La luz que irradia una fuente es como arena derramándose de un cubo; parece ser una corriente continua, pero en realidad es una multitud de diminutos granos perdidos dentro del flujo mayor. De forma similar, los saltos cuánticos en los átomos son cambios extremadamente pequeños en la energía, aunque el uso popular de “saltos cuánticos” con frecuencia hace referencia, incorrectamente, a grandes cambios.
 

Teorías Cuánticas: 

La teoría cuántica es uno de los pilares fundamentales de la física actual. Su marco de actuación se limita a niveles de átomos, nucleares y noveles subatómicos, pero también tiene estrecha relación para explicar la electrónica, para la fabricación de material médico o en la cosmología del Universo temprano.

En la actualidad, después de los diversos postulados ofrecidos por estos científicos y muchos que le siguieron posteriormente, la tecnología moderna opera a una escala en la que los efectos cuánticos son especialmente significativos.

Las aplicaciones de esta teoría cuántica ocupa campos como la química cuántica, la óptica cuántica, la computación cuántica o los imanes superconductores. Y es que las explicaciones de muchos de los fenómenos físicos y biológicos que tenemos alrededor, tienen su origen en la teoría cuántica y en la naturaleza del enlace químico, como la macromolécula del ADN. Las teorías cuánticas más reconocidas son:

La función de onda y el Principio de Superposición


Una sencilla premisa física nos lleva al enorme problema mental que se nos propone en la película, y es que se ha demostrado que dos realidades diferentes pueden existir al mismo tiempo. Aunque es una afirmación muy fuerte y quizás deba leerse un par de veces, lo cierto es que es así. Dos realidades diferentes pueden existir al mismo tiempo… al menos a escala subatómica…

Un concepto fundamental de la física cuántica es que la dualidad onda-partícula hace que un electrón, por ejemplo, sea partícula y onda a la vez… hasta que lo observamos. Además, el electrón tiene la capacidad cuántica de estar en dos sitios al mismo tiempo. Lo importante de esta doble realidad es cómo se observa y se mide. Es imposible detectar/medir/ver dos realidades diferentes de un mismo objeto/partícula al mismo tiempo, como veremos más adelante con la coherencia, por ello cada vez que midamos u observemos una partícula veremos únicamente uno de sus estados o localizaciones posibles.

La Superposición de la que nos habla Niels Bohr hace referencia a que, hasta que un observador consciente observa la partícula, ésta se encuentra en todos los estados y lugares posibles, superpuestos. Es decir, en el caso del famoso experimento mental del Gato de Schrödinger, el gato estará muerto y vivo hasta que decidamos abrir la caja y salir de dudas. Hasta ese momento, el gato estará en dos estados superpuestos: vivo y muerto.

En definitiva, según la mecánica cuántica las partículas no tienen un estado determinado con exactitud, sino que se describen a través de una función de onda que combina varios estados (casa roja, casa verde, casa azul, casa naranja…). Esta función de onda nos permite calcular la probabilidad de que una magnitud/propiedad/valor sea tal o cual. Algunos científicos consideraron que la física no podía basarse ni explicarse mediante el azar o la probabilidad. Einstein creía que la mecánica cuántica era sólo una aproximación a una teoría más general exenta de aleatoriedad, por eso rechazó las ideas de Schrödinger afirmando que "Dios no juega a los dados con el Universo". Sin embargo, aunque el propio Einstein no pudiera creerlo, el mundo de la mecánica cuántica revela que la Naturaleza no es tan simple como se creía. Si hasta el momento cualquier resultado en física había consistido en un dato preciso, a partir de la introducción de la física cuántica había que tener en cuenta el azar.

El Principio de Incertidumbre


La comunidad científica ya ha aceptado que las características físicas de una partícula están determinadas por una función de onda que indica la probabilidad de que ciertas magnitudes/características/propiedades tomen un valor u otro. 

Es decir, hasta el momento en el que se mida esa magnitud/característica/propiedad física no sabremos las características de la partícula en cuestión. 

Al realizar la observación/medición, la función de onda nos da un único valor (el que medimos), y que determina el estado, la posición o la trayectoria de la partícula.

Pero el mismo acto de medir o de observar altera los resultados que obtenemos.

 Heisenberg concluyó que no es posible conocer a la vez la posición y la trayectoria de una partícula, ya que para medir cualquier partícula es necesaria luz para verla, y la luz afecta a la partícula, golpeándola y desviando su trayectoria.

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg se basa en que no es posible conocer en cada observación más que un número limitado de características/magnitudes/propiedades de las partículas, dado que la propia medición de algunas propiedades/características/magnitudes nos oculta lo referente a las demás. Es decir, nunca sabremos el estado real de una partícula hasta que la observemos. Y cuando la observemos ese estado previo se alterará por el mero hecho de la observación. Una incertidumbre que abre muchos interrogantes en el camino hacia la búsqueda de la verdadera realidad de las cosas.

El Principio de Decoherencia cuántica


Basándonos en lo aprendido anteriormente, llegamos al punto en el que nos toca abrir la caja del gato de Schrödinger. Esa famosa caja en la que hay un gato que puede estar vivo o muerto, algo que sólo podremos saber al abrir la caja. Hasta que lo hagamos, la superposición hará que el gato esté vivo y muerto al mismo tiempo. Su estado será vivo-muerto. Algo evidentemente imposible, físicamente hablando.

Si antes decíamos que nuestro acto de mirar fuerza la decisión de la Naturaleza, debemos recordar que la Naturaleza es, ante todo, coherente. Nunca encontraremos por la calle un gato que esté muerto y vivo a la vez. Eso es imposible. Aquí es donde entra la decoherencia cuántica, que viene a ser el principio por el cual un sistema físico que tiene efectos cuánticos pasa a mostrar un comportamiento típicamente físico, comprensible y entendible para el ser humano. La decoherencia aparece al abrir la caja del gato. Se puede entender como el paso del estado potencial (física cuántica) al estado "real" (física normal). Es decir, el paso del estado cuántico (todos los estados posibles, con distinta probabilidad) al estado observado.

Es complicado de comprender, como en general toda la mecánica cuántica, y hay incluso quienes aseguran que la decoherencia produce una realidad múltiple, ya que todos los posibles estados acaban por producirse. Así surge la teoría de los universos múltiples, que viene a decirnos que el gato de Schrödinger vive en una caja, en una realidad, en un universo, pero que al mismo tiempo ha muerto en otra caja, abierta en otra realidad, en otro universo paralelo.

¿Es posible viajar en el Tiempo?

Teóricamente es posible viajar en el tiempo por un agujero de gusano. Para aquellos que no lo sepáis, los agujeros de gusano son soluciones de las ecuaciones de Einstein, y son conocidos como puentes de Einstein-Rosen, aunque actualmente no se sabe si existan en la realidad. Sin embargo, las investigaciones teóricas sugieren que a través de un túnel que produce el agujero de gusano sería posible trasladarse al mismo punto del espacio, pero en un tiempo anterior al que se partió.

Imagen que representa los viajes en el tiempo
Imagen que representa los viajes en el tiempo

Aún así, se sugirió que existen un par de atenuantes al respecto: para hacer ese viaje se requiere una velocidad mayor a la de la luz, algo que no es posible según la teoría de relatividad general, y sería imposible mantener abierto el agujero de gusano el tiempo necesario porque el vacío cuántico lo desestabilizaría.

Todas estas objeciones a los viajes temporales dieron paso para que el físico inglés Stephen Hawking propusiera que la naturaleza prohíbe cualquier cosa que permitiera el viaje hacia el pasado.

Esto es una conjetura de la protección cronológica; una especie de policía temporal que no va a permitir viajar hacia atrás en el tiempo para mantener el orden de las causas y efectos (todos entendemos, que cada causa, tiene su efecto ¿no?, me refiero: si comes comida basura todos los días (causa), vas a engordar y enfermar (efecto), ¿verdad?).

Personalmente, creo que será posible viajar en el tiempo, pero en el futuro, ya que aún estamos muy en pañales como para poder llevar un viaje de estas características de manera optima.

¿Existen los mundos paralelos?

En el caso de los mundos paralelos, la hipótesis plantea que, al emplear la mecánica cuántica para obtener predicciones, la respuesta usualmente será probabilística, por ejemplo: cuando hay 30 por ciento de posibilidades de medirse en un estado cuántico (A) y 70 por ciento en otro estado cuántico (B).

Imagen que representa los Universos Paralelos
Imagen que representa los Universos Paralelos

De acuerdo a la teoría de Everett, cada vez que se hace una medición cuántica, el universo se bifurca en dos historias completamente diferentes (como lo planteado en Regreso al Futuro con la línea temporal). Es decir, en un universo con la medición A y en otro con la medición B, y cada momento que se realicen mediciones cuánticas se obtienen esas bifurcaciones, de ahí el término de multiversos. Según Everett, dicha medición crea dos nuevos universos. En uno da la medición A y en otro la medición B, algo que ocurre para cada decisión. Y así fue como entró el tema del multiverso en la cultura popular.

Eso ayuda a resolver algunos problemas con la interpretación de la mecánica cuántica, como el hecho que esta teoría nos puede dar sólo una parte de información.

Personalmente, siempre he creído en su existencia, incluso sin pruebas, ya que al menos para mi, sería imposible imaginarme la vida como es, sin pensar en la que debe existir una versión de nosotros mismos donde cada uno y cada una ha tomado decisiones distintas a las que hemos tomado en nuestro universo. Lo que pasa, es que como con los viajes en el tiempo, aun estamos en pañales, pero tengo claro que algún día podremos ver e incluso visitar esos universos paralelos.

Opinión Personal: 

Es posible que me haya dejado muchas cosas en el tintero, y es que este tema daría para muchísimo, y he intentado condensarlo todo. Tampoco sé muy bien si entiendo todo lo que he leído del tema, pero voy a tratar de dar mi opinión personal sobre la mecánica cuántica. 

Algo que si sé, es que la mecánica cuántica intenta hacer lo mismo por la física, que intento hacer yo por la conocida como discapacidad diversidad funcional. La mecánica cuántica intenta conocer y explicar las leyes del universo (algunas conocidas, y otras que no), mientras que yo solo intento que todos y todas entendáis que la diversidad funcional no es lo que nos hace diferentes, con respecto a personas sordas, ciegas o con otras capacidades diferentes a las nuestras, sino que para mí, somos como otro estado de la misma materia (somos iguales y podemos hacer la mayoría de las cosas peores, iguales o mejores, aunque nuestra condición pueda diferir).

Personalmente, creo que la mecánica cuántica, al igual que la física cuántica, es un nuevo universo, lleno de posibilidades, que va a requerir muchos años de estudio, pero que nos puede hacer ver lo que nos rodea con una nueva perspectiva.

El ver las cosas desde otro punto de vista, es tan viejo como el propio tiempo, eso es algo que todos sabemos. Sin ello no habría existido el progreso a lo largo de la historia, y entiendo que es algo que debemos promover y fomentar ¿no os parece?. Aunque como en todo en este mundo, existe gente que "duda", algo lógico y que tiene cabida dentro del pensamiento crítico, pero si algo ha demostrado el tiempo, es que cierta teorías físicas, han terminado por ser ciertas, y demostradas aunque mucha gente dudase de ellas en los inicios de la Mecánica Cuántica.

Reconozco que yo, al menos, no tengo ni idea de muchas de estas cosas, salvo por lo que tengo leído, y visto en material audiovisual de ciencia ficción, como la película "Coherence" de 2013, o historias como "El sonido del trueno" de Ray Bradbury (las que os recomiendo). Pero me resulta cuanto menos curioso, que pudiese existir otro yo, en un universo paralelo dentro de este "multiverso", que hubiese tomado otras decisiones que yo no he tomado a lo largo de mi vida, y que, de seguro, me encantaría conocer.

Además, sobre mi, deberíais saber que debo ser, de las pocas personas a las que no le gustaría viajar en el tiempo, no porque no me pueda resultar interesante, tengo claro que lo sería, sino porque desde que tengo memoria, he entendido, que si llega a ser posible, sus implicaciones a mi parecer, podrían llegar a ser como poco catastróficas (de esto mismo trata "El sonido del Trueno" del señor Ray Bradbury).

Resumiendo, la mecánica cuántica para una persona que no sabe del tema, es como poner a un niño de 5 años delante de un coche eléctrico, pidiéndole que nos explique: como funciona y porque consigue llevarnos a donde queremos; con tiempo podrá explicarlo, pero aún está demasiado verde. ¿No os parece?

 ¿Os ha gustado? ¿Os ha parecido interesante? Pronto os traeré más artículos pedidos por vosotros y vosotras, si este tiene la audiencia esperada. Si quieres saber más, sobre todo sobre la diversidad funcional no dudes en pasarte por La Fosa Berete a darte un baño con nosotros...

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2 Comentarios

  1. La mecánica cuántica tiene ese no se qué que hace que sea muy interesante independientemente de la profesión, sobre todo si es explicada bien. Por lo menos a mi me pasa, que sin estar relacionado al mundo de la física, este tema me mola y mucho.

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    1. Me alegro mucho de que te apasione este tema. Personalmente, no sé si me ha quedado bien del todo explicado, aunque creo que si por lo que me tiene comentado otra gente.

      Concuerdo contigo en que tiene ese "noseque" que en cuanto comienzas a leer sobre ello, te llama la atención. Si te ha gustado y te apetece que hable de otra cosa, en el siguiente, dímelo por aquí o en mis redes sociales :)

      Gracias por pasarte y tomarte tu tiempo para comentar :P

      Un saludo

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