Hace poco, alguien me sugirió que viera un documental sobre cómo la mente puede ayudar a curar el cuerpo. Aunque este conseguía dar buenos puntos sobre el estrés y cómo te afecta a un nivel general, estaba en gran parte plagado de pseudociencia. De todo lo que más me horrorizó, fue lo fácil que los entrevistados soltaban la palabra cuántico, sin contexto y sin razón. Lo que sucede es que éste no es un evento aislado, ya he visto esta “moda” desde hace un buen tiempo. Además, esto no sólo pasa en los círculos de la pseudociencia. En obras de ciencia ficción e historias de superhéroes, se utiliza la palabra cuántico como jerga sin significado real, y como método para avanzar la trama narrativa. Yo sé que esto último no es verdaderamente peligroso, en contraste con el ejemplo anterior. Sin embargo, con frases como curación cuántica y conciencia cuántica siendo utilizadas cada vez más, me parece que es necesario que los físicos nos encarguemos de explicar lo que mecánica cuántica realmente significa.

MISTICISMO CUÁNTICO EN LOS MEDIOS DE COMUNICACIÓN

Me parece que la mejor forma de iniciar es explicando lo que no es cuántico. La Mecánica Cuántica, que es el nombre correcto del área de la Física, no es un misterio místico. Es decir, no es un prefijo que sirva para describir un conocimiento oculto, arcano o espiritual. Es en cambio el un área de conocimiento científico que ha incluso producido y confirmado las predicciones más precisas en la historia de la ciencia. Ahora, digo esto porque he escuchado a tanta gente, como Deepak Chopra, utilizando esta palabra como una muletilla sin significado real. Lo utilizan para hablar de una forma mágica, tratando de conectarlo a un concepto pseudocientífico de conciencia, de formas alternativas de curación. Normalmente esta gente utiliza estas palabras de una forma completamente incoherente y hasta casi surrealista, un picadillo de palabras. Si vos creés que lo que dicen Tony Stark y Bruce Banner es ya de por sí extraño, pues te digo que esta gente no se les queda atrás. De hecho es mucho peor, porque puede ser peligroso para la gente que lo escucha. No existe evidencia de que la mecánica cuántica tenga ninguna injerencia sobre la conciencia, ni los órganos ni el sistema inmunológico de nuestros cuerpos. Nada. Entonces el peligro viene para la gente que escucha a estos charlatanes en lugar de los médicos, que son los expertos en estos temas. Adicionalmente, esto viene con un peligro secundario ya que estos picadillos de palabras vienen sin ninguna explicación, y hasta un desprecio por el método científico en general. En fin, mi punto con este artículo no es desacreditar a los charlatanes como Chopra, que al final de cuentas no es algo difícil. Mi punto acá es que los discursos como el de él dañan a la ciencia. Y cuando los medios de comunicación mezclan estas ideas con ciencia de verdad, terminan generando una desconfianza a los científicos, al método y a los resultados que alcanzamos, en general.

Sí, yo entiendo que incluso los medios que reportan “ciencia de verdad” tienden a teñir sus reportajes con un tono como si esto fuera de otro mundo. Incluso los artículos de comunicación de las revistas científicas más importantes tienden a veces a ficcionalizar los resultados. Utilizan así un tono como de que esto fuera conocimiento trascendental, ideas que son muy fuertes para nuestros pobres cerebritos humanos.

¿Y esto por qué? Pues para que entremos a leer sus artículos, el famoso clickbait, en inglés.

Espero que no esté dando una impresión incorrecta. Este tema es muy interesante, muchas veces es confuso y definitivamente vale la pena explorarlo. Sin embargo, me parece que esta forma de reportarlo al público hace inaccesible esas ideas sobre la Mecánica Cuántica. Empieza a parecer un poco como una especie de secreto hermético, que sólo un grupo de acólitos iniciados pueden entender. Por ejemplo, veo en muchos artículos que conceptos de la Física en general, pero principalmente de la Mecánica Cuántica son utilizados fuera de contexto (o de forma equivocada) en toda clase de medios, reportajes, artículos e incluso en memes. Un famoso ejemplo es el gato de Schrödinger, que se utiliza para explicar lo “rara que es la Mecánica Cuántica”, cuando en realidad es originalmente una crítica a la interpretación de Copenhagen. Esta última la vamos a cubrir brevemente en lo que sigue.

Y lo que quiero que te llevés hoy es que esto no es así. La Física Cuántica no essecreto hermético e incomprensible. Sí, es un poco extraña y un poco contraintuitiva. Pero es una teoría que comprendemos y que nos da resultados expectaculares a nivel experimental. Pero para entender por qué, tengo que explicar un par de cosas.

NECESITAMOS UN POQUITÍN DE HISTORIA

La palabra cuántico viene del trabajo (originalmente un tanteo profesional) de Max Planck. Él quería explicar (calcular) el espectro de emisión de luz de un cuerpo negro. Vamos a digerir esa frase. Un cuerpo negro es un objeto que irradia luz gracias a su temperatura. De hecho, todos los cuerpos hacen esto, basta imaginarse un metal muy caliente, y cómo empieza a tornarse rojo y luego blanco. No obstante, un cuerpo negro es especial, dado que si lo iluminamos, no puede reflejar la luz, sólo absorberla. El material más parecido a esta idealización es el color Vanta Black (un video acá), aunque en realidad hasta el Sol hace un buen trabajo fingiendo ser un cuerpo negro. Esto es lo que Planck quería calcular, la dependencia de este espectro con respecto a la frecuencia (digamos el color) y la temperatura.

Planck utilizó la teoría del electromagnetismo clásico, que era lo máximo alrededor del año 1890, y con ésta no logró describirlo. ¿Qué era lo que asumían esta teoría? Que la luz tenía frecuencia continua. Es decir, que si yo decidía escoger dos frecuencias arbitrarias del espectro, entre ellas siempre iba a existir infinitas más frecuencias. Incluso si nos vamos a intervalos de frecuencia super pequeños. Viendo que nada de esto funcionaba, un día intentó simplemente ver qué sucedía si asumía que había una intervalo mínimo de frecuencia. Como emitir luz causa pérdida de energía, esto quiere decir que Planck restringió la emisión a una energía mínima. Además, todas las frecuencias utilizadas tenían que ser múltiplos de este número. De repente, el cálculo servía, y se podía describir a los datos experimentales. Lo curioso es que Planck no creía en estos resultados, pero por suerte aún así los publicó y llamó a esos paquetes de energía cuantos de energía [1]. ¡De ahí viene el nombre mecánica cuántica!

Después de esto, se popularizó la idea de los cuantos gracias a resultados exitosos como los de Albert Einstein, quien logró explicar el efecto fotoeléctrico, que explica el funcionamento de las celdas solares. Sin embargo, si tuviera que escoger un solo resultado que destrozó el paradigma de los científicos del principio del siglo XX, es el experimento de la doble rendija. Yo sé que mucha gente ha escrito sobre éste, sobre cuando uno observa las partículas y las funciones de onda. Esta forma de escribir es parte de la mistificación que comentaba antes. En lugar de eso, quiero concentrarme en algo diferente, algo más pragmático. En este experimento, se hace pasar luz sobre dos sistemas, uno es una placa que tiene una rendija pequeñita y luego el otro que tiene dos, una cerca de la otra. En ambos hay al final una pantalla que captura la luz. Tomas Young hizo esto en el siglo XVII y demostró que la luz se comportaba como una onda, ya que si se hacía pasar por dos rendijas, la luz interfería con ella misma, como ondas en una piscina. Es decir, que en lugar de ver dos patrones de luz, se ven muchos, como en la figura abajo. Lo interesante es que si a la luz se le baja la intensidad, en la pantalla se puede ver cuentas individuales, los cuantos de la luz, o fotones. Pero, un momento, entonces… ¿la luz es partícula u onda? Esto se pone mejor ahora. Cuando los fotones individuales se les hace pasar por la doble rendija, llegan a la pantalla como fotones, ¡pero al final se forma el mismo patrón de interferencia! Esto era tan sorprendente, que llevó a Dirac a decir que los fotones interferían sólo consigo mismos, que ahora sabemos que es cierto.

Parece que dependiendo de cómo las veamos, podemos describir a los componentes fundamentales de la naturaleza como partículas, pero como ondas también…¿Qué significa todo esto?

Sin interpretar mucho, que es lo que pasa muy a menudo, esto significa simplemente que necesitamos una idea que “amarre” estos dos comportamientos. No como partícula o como onda, como ambos. Esto, a un nivel fundamental, es lo que es la mecánica cuántica.

ENTONCES, ¿QUÉ ES MECÁNICA CUÁNTICA?

La forma más simple y la más mundana en que puedo resumirla es que la mecánica cuántica es un conjunto de reglas. Así como la mecánica de Newton es un conjunto de reglas sobre los objetos de nuestra vida cotidiana, la mecánica cuántica rige en otros escenarios. De hecho, es un resultado bellísimo de la Física Teórica que la mecánica cuántica en realidad contiene a la mecánica de Newton en el límite en que ya no podemos ver las propiedades de onda de las partículas.

Lo que sucede es que en el mundo que la Mecánica Cuántica funciona no tenemos nada de intuición. ¡Por esto nos parece tan extraña! Sin embargo, estas reglas concuerdan increíblemente bien con los datos experimentales sobre diferentes y fascinantes niveles. Por ejemplo, es gracias a estas reglas que entendemos los niveles energéticos de los átomos. Con esto viene todo nuestro entendimiento sobre toda la química. También describe el comportamiento de materiales como los metales, semiconductores y superconductores. Incluso describe bastante bien las fluctuaciones de la densidad del inicio del Universo. ¡Algunas de las predicciones de la Mecánica Cuántica han sido confirmadas por los experimentos incluso hasta el nivel de 10 dígitos de precisión!

Sin embargo, con estas reglas viene una pequeñita separación conceptual, que no existía en los tiempos de Newton y Galileo. Ahora tenemos cantidades que son observables y otras que no. Por supuesto, las observables son aquellas que se pueden medir. Una partícula en un detector, cómo se alínea un átomo con respecto a un campo magnético, o la magnetización de un imán. Todas las anteriores son observables. Por otro lado, y gracias a la matemática que se necesita para calcular estos observables, necesitamos objetos que en sí no se pueden medir. La famosa función de onda de la ecuación de Schrödinger, o los campos cuánticos son ejemplos de entidades que no se pueden medir.

Explicar qué son estos objetos y qué sucede con ellos antes y después de efectuar las mediciones es la resposabilidad del área que investiga las interpretaciones de la Mecánica Cuántica. Este tiende a ser un tema muy popular en la divulgación científica. Voy a resumir brevemente algunas interpretaciones, pero no me quiero adentrar mucho en este tema. Primero, tenemos la interpretación ortodoxa, la interpretación de Copenhagen. En esta el Universo es fundamentalmente aleatorio, y las partículas son un conjunto de probabilidades que se realizan cuando se realiza la observación . Alternativamente, tenemos la interpretación de los muchos-mundos. Esta sigue siendo aleatoria, pero piensa en las mediciones como escoger aleatoriamente un camino en una intersección. En esta hay una especie de multiverso en el que todos estos caminos existen, pero nosotros vamos por una senda específica, que se escoge aleatoriamente. Luego está la mecánica de Bohm. En esta no hay aleatoriedad fundamental, pero ellos creen en una especie de onda etérea en el cual las entidades físicas se deslizan, y así es como explican las propiedades de onda y partícula. Todas estas interpretaciones suenan interesantes, yo sé, pero es muy importante recordar que en realidad la Mecánica Cuántica no necesita una interpretación para poder funcionar. Uno no necesita pensar en todo esto para poder sentarse a calcular los observables y explicar los datos experimentales. Este punto se le ha llamado de forma jocosa la interpretación callate y calculá. El punto es que aparte de unos aspectos interesantes pero bastante sutiles, las interpretaciones son ideas que asignan significado más allá de lo medible. Por eso es que para algunos físicos la interpretación no es realmente un conjunto de ideas científicas, ya que en la ciencia, la idea principal es que para que las teorías sean útiles, estas deben poder hacer predicciones que se puedan poner a prueba con experimentos.

Ok, ok. Pero…¿cuáles son estas reglas?

Antes que nada, las reglas de la Mecánica Cuántica son empíricas, es decir inducidas del experimento. Estas reglas fueron encontradas, entre otras contribuciones, por Heisenber (ojo, Werner, no Walter) interpretando los espectros de luz emitidos por los átomos de hidrógeno. Además, formalizó la matemática utilizada para deducir estas reglas [2] y encontró así su famosa relación, el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Este dice que vos no podés saber con precisión arbitraria la velocidad (o el momento, masa por velocidad) y también la posición de una partícula [3]. Entre mejor sepás la posición, peor podés lograr conocer la velocidad, y vice versa. Esto choca, claramente, con la mecánica de Newton (la de toda la vida), donde podemos conocer todos los detalles de una bola que cae, o la Tierra, que da vuelta al Sol. Suena extraño y hasta un poco caprichoso, pero implica algo muy interesante, la partícula está deslocalizada. Aquí, deslocalizado significa que la partícula no es ahora un punto en el espacio, pero algo más… borroso. ¿Sabés que es algo deslocalizado? Las ondas.

Esta regla se puede formalizar aún más y llevar a resultados aún más interesantes. Nosotros le llamamos cuantización a esto. “Pues, obvio, ¿no?”, es probablemente tu reacción ahora. Dejame explicar un poco más. El truquillo de la cuantización requiere describir el sistema con las variables apropiadas, como posición, x, y momento, p) y las relaciones entre estas variables canónicas. Después, se cambian las relaciones Newtonianas entre ellas por unas nuevas relaciones matemáticas. Básicamente, ahora la posición y el momento no son números, y no conmutan. Esto significa que x*p ya no es p*x. De hecho, para estas variables, aprendimos que la cuantización es xp -px =ih/2π, donde i es el número imaginario the imaginary number, y h= 6.626×10^{-34} J⋅ s es una constante universal, que es un número pequeñísimo en el sistema internacional de unidades (SI). Esta regla quiere decir que no es lo mismo medir la posición de una partícula y luego su velocidad que a la inversa, ¡pero esto inmediatamente implica el principio de incertidumbre de Heisenberg! 

Y volvemos al mismo punto. Esto es lo que la dualidad partícula-onda quiere decir. Los objetos cuánticos se comportan como ondas, pero también como partículas pues no podemos saber su posición y su momento simultáneamente. Por ahora nos tenemos que preguntar algo más.

¿QUÉ COSAS SON CUÁNTICAS?

Esto puede ser una sorpresa para algunos de ustedes que les guste leer artículos de divulgación científica, pero esta pregunta, en cierta forma no tiene sentido. Cuántico es un comportamiento (no una propiedad fundamental) que se da bajo ciertas condiciones. Por esto, nada es cuántico, pero todo el Universo se rige por las leyes de la Mecánica Cuántica. Hay escenarios en los que algunos objetos que normalmente se consideran microscópicos (no cuánticos) se pueden volver cuánticos. Pero bueno, ya casi volvemos a esto.

¿Como es esto posible? Pues, bueno, cualquier objeto, sea un avión, un mosquito o un átomo puede ser descrito por ondas tanto como puede ser caracterizado como una partícula (o conjunto de ellas). Estas ondas poseen un tamaño promedio otípico que se llama la longitud de onda de de Broglie. Entre más lento y menos masivo sea el objeto, más grande será este tamaño característico de la onda. Algo tan pesado como un avión tendrá entonces una onda ínfimamente pequeña. Ahora, pensá que querés medir estas propiedades. Si te decidís en medir propiedades inherentemente mayores que la longitud de onda de de Broglie, no vas a poder ver las propiedades cuánticas del objeto. Por eso, medir esas propiedades de onda en, digamos, una bola de tenis va a ser básicamente imposible. Pero si en lugar de esto nos vamos a sistemas con menores velocidades, entonces medir las ondas se vuelve posible. Y lo hemos hecho desde hace más de un siglo [4].

Ahora, es la noción tradicional que la cuántica aplica a cosas diminutas y con poca masa. Sin embargo, como dijimos arriba, hay otra forma de hacerlas más cuánticas. Y esto es posible cuando uno les baja la temperatura. En física, la temperatura es una medida del promedio de la energía cinética de las partículas individuales que hacen un medio (dígase moléculas de agua en un lago). Si el medio está más frío, tienen menos energía para moverse, y menos velocidad. Por esto es que hay tantos experimentos interesantes que utilizan, por ejemplo, átomos ultrafríos para explorar las propiedades colectivas de la mecánica cuántica. Aquí ultrafríos significa que estos átomos están muy cerca de la temperatura mínima del Universo, 0 Kelvin. Estos objetos son más pesados y voluminosos que un electrón (algunos son hasta de un 1 mm, ¡visibles al ojo humano!), pero siguen comportándose de forma cuántica. Y quiero contarles que en mi alma-mater, la Universidad de Heidelberg, que tiene un par de grupos de investigación que llevan a cabo experimentos súper interesantes. Más adelante nos adentraremos en estos temas en otros artículos.

Y a todo esto, ¿qué?

Con todos los artículos hablando de esto y aquello en mecánica cuántica, siento que casi todos tratan de explicar esto y aquello, pero no se paran a explicar qué es mecánica cuántica. Y para alguien a quién todo esto es nuevo, pues puede ser muy confuso. Por esto decidí escribir todo este discurso. ¿Por qué? Pues la mecánica cuántica es una de las áreas más emocionantes de la física moderna. No sólo nos reta a pensar de nuevo nuestras nociones fundamentales sobre el Universo, pero también promete muchos descubrimientos llenos de potencial. Y es que imaginate que el celular (móvil), tablet o computadora en el que estás leyendo esto, funciona gracias a la mecánica cuántica. Sin embargo eso no se queda allí, hay usos de esta área en la medicina, como lo son las resonacias magnéticas, que poseen consequencias palpables en la vida real. Y pues también tenemos otros usos que suenan un poco más a ciencia ficción, como la computación cuántica, que es la idea de que podemos construir una computadora que funcione con mecanismos lógicos que dependan de las leyes cuánticas. Una computadora así tendría capacidades increíbles, mucho más que una laptop. Pero bueno, ¡eso tenemos que desarrollarlo primero!

La mecánica cuántica no es entonces un set de ejercicios o paradojas mentales, es una realidad para toda la sociedad. Darle un aura no merecida de misticismo mancha una de las más brillantes y más asombrosas áreas descubiertas por la humanidad.

Notas

[1] Cuanto viene de quanta, el plural de Quantum, que viene del latín, y significa “Cuán grande”
[2] Heisenberg construyó un aparato matemático complejo y aparatoso para esto, que les llamó simplemente sus reglas de multiplicación. Max Born se dioecuent que para los matemáticos esto se llamaba álgebra lineal o (álgebra matricial) desde hacía ya un tiempo. Sin embargo, en aquellos días no era parte del currículo normal de los físicos.
[3] Un chiste viejo y malo: Un inspector de tránsito detiene el auto a un tal Heisenberg. Le pregunta: “¿Sabe a la velocidad a la que iba?” Heisenberg le responde: “No, pero sé dónde estoy”.
[4] Aunque Young llevó a cabo primero en el siglo XVII. Con respecto a los. experimentos en el siglo XIX, el primero con luz de baja intensidad fue hecho por G.I. Taylor. La baja intensidad es necesaria para ver los fotones individuales en el experimento. Desde 1961 hemos podido hacer estos experimentos, como electrones, e incluso objetos mucho más grandes como las moléculas llamadas Buckminsterfüllerenes, or buckyballs.