Las paradojas de la Física Cuántica: el premio Nobel en 6 claves

Crédito de la ilustración: Nobel Prize Committee

El francés Serge Haroche y el estadounidense David Wineland, dos genios de la óptica cuántica, acaban de ser galardonados con el Premio Nobel de Física 2012.

Oye, ¿qué es eso de la “óptica cuántica”?

La “mecánica cuántica” es la teoría que explica cómo funciona la realidad a escalas muy, muy pequeñas.

La belleza de la mecánica cuántica es que predice efectos que desafían nuestra intuición (por ejemplo, la famosa “paradoja del gato de Schröedinger”). Niels Bohr, uno de los padres de la teoría, decía que “aquel que no se extrañe cuando le expliquen la mecánica cuántica, es que no ha comprendido nada”.

La “óptica cuántica” es la aplicación de la mecánica cuántica al estudio de la luz y sus interacciones con la materia.

Vale, ¿me puedes explicar algo más?

Igual que la materia está formada por átomos, la luz está formada por unas partículas diminutas llamadas fotones.

El problema para los físicos es que resulta casi imposible aislar un sólo átomo o un sólo fotón. Haroche y Wineland han desarrollado técnicas para superar esta dificultad.

Gracias a sus investigaciones, hemos podido observar muchas de las paradojas predichas por la mecánica cuántica.

¿Cuáles son esas paradojas?

Quizás la más famosa es la conocida como “paradoja del gato de Schröedinger”. Imagina que metemos un gato y material radiactivo dentro de una caja. Si el material radiactivo decae, el gato se muere. Si el material radiactivo no decae, el gato sigue vivo.

La mecánica cuántica nos explica que los átomos del material radiactivo pueden, a la vez, haber decaído y no haber decaído. Es decir, el gato puede estar vivo y muerto a la vez. Cuando abrimos la caja, otro principio de la mecánica cuántica establece que el sistema tiene que elegir uno de los dos estados.

¿Suena raro, verdad? Pues los experimentos de Haroche y Wineland demuestran que así de caprichosa es la realidad en la que vivimos.

¿Algún español ha hecho descubrimientos importantes en óptica cuántica?

¡Sí!

Ignacio Cirac es una de las referencias mundiales en este campo. En el año 2010, compartió la prestigiosa Medalla Franklin con Wineland, uno de los galardonados hoy con el Nobel.

Ignacio trabaja en Munich, dirigiendo el “Instituto Max Planck de Óptica Cuántica”.

¿La mecánica cuántica tiene alguna aplicación?

Si no hubiésemos descubierto la mecánica cuántica no tendríamos ordenadores, ni telecomunicaciones modernas, ni radioterapia.

La pantalla que tenéis frente a vuestros ojos funciona porque se están produciendo millones de transiciones electrónicas por segundo que se explican con los principios de la mecánica cuántica.


41 pensamientos en “Las paradojas de la Física Cuántica: el premio Nobel en 6 claves

  1. La mecánica cuántica nos explica que los átomos del material radiactivo pueden, a la vez, haber decaído y no haber decaído. Es decir, el gato puede estar vivo y muerto a la vez.

    —————————

    He vuelto a releer el artículo y sigo sin entenderlo…¡¿CÓMO ES POSIBLE?! ¡Pero esto qué es! ¡¿Qué invento es este?! Gatos que están vivos y a la vez muertos, átomos, ciencia, adjetivos y verbos… Esto es brujería fijo.

    • la paradoja de Scrödinger únicamente pone sobre el papel la realidad más obvia que está en nuestras mentes ante tal situación: “el gato, para un tiempo determinado, debe de estar vivo o muerto en esas condiciones”. Eso mismo nos comunicaría la mecánica cuántica. Frente al determinismo newtoniano , el “puede ser o no ser” cuántico.

      Supongo…

      • Creo que voy entendiendo algo, pero… si la mecánica cuántica actúa a nivel microscópico… ¿no lo está haciendo también a nivel macroscópico? Entiendo que lo macroscópico existe porque a su vez depende de una realidad microscópica…

        Respecto a la paradoja del gato, creo haberla entendido gracias a la explicación de Iván. Viene a decir que el gato estaría vivo o muerto dependiendo de sus propias condiciones que le afectan e independientemente de que exista un observador que pueda comprenderlo. ¿Correcto?

      • Lo que ocurre con la mecánica cuántica a escalas macroscópicas es similar a lo que ocurre con la relatividad a velocidades y campos gravitatorios “normales”. Los efectos relativistas no desaparecen pero son despreciables en ese tipo de situaciones, sus efectos caen dentro del margen de error y por tanto la descripción de la gravitación de newton es suficiente.

        A escalas macroscópicas ocurre lo mismo, la mecánica newtoniana y la mecánica estadística nos permiten calcular el estado de un sistema y los efectos cuánticos caen dentro de su margen de error.

  2. Bueno, lo de la paradoja del gato se explica desde el punto de vista de un principio, según el cual, la materia permanece en todos sus estados posibles, hasta que es observada… Cuando el evento es observado, este adopta una de las posibilidades que pueda tener. Para el caso del gato, al tener las probabilidades de 50% de que esté vivo y 50% de que esté muerto al tener la caja cerrada permite hablar de que el gato se encuentra en un estado vivo y muerto a la vez lo cual no se define hasta abrir la caja.

    Este principio “El gato de Schrödinguer”fue utilizado para mostrar lo absurdo que sería pensar en aplicar las leyes de la mecánica cuántica a un nivel macroscópico (el principio de que todo son probabilidades hasta que el observador interactúa) , porque es absurdo hablar de que un mamífero pueda ser encontrado en un estado de estar vivo y muerto a la vez.

    Espero te haya quedado más claro. :)

    • A ver si lo entiendo, por ejemplo: un gato es un gato porque es un gato, obviamente, pero a la vez ese gato son dos gatos: un gato como tal y otro gato “cuántico”. Al gato “cuántico”, por así decirlo, se le aplican unas “leyes” diferentes al gato tal como nosotros lo vemos (el que hace miau). Y ¿eso es la mecánica cuántica, estudiar de qué está compuesto el gato? (puedo escuchar tus carcajadas desde mi casa).

      • Mmmm… no tan así jeje… la mecánica cuántica se encarga de estudiar la materia ( incluidos los gatos xD) … a un nivel microscópico, (átomos, electrones, partículas etc.) Y a este nivel las cosas que pasan son muy raras, ( en el sentido de que no estamos acostumbrados a observar cosas así en el mundo normal). Uno de estos experimentos llevó a la conclusión de que a nivel cuántico, el observador ejerce un efecto en lo que se observa, de hecho hay un experimento llamado “Experimento de la doble Ranura” ( si gustas te dejo el link http://www.youtube.com/watch?v=fUZZgDOrY30&feature=fvwrel) en el cual se ve que el observador influencia el comportamiento de las partículas … Y bueno, esa historia del gato lo sacó Schrödinguer para mofarse de este fenómeno debido a que si el observador hiciera tal cosa sería como suponer que hay un gato que está vivo y muerto al mismo tiempo en una caja cerrada… y cuando se abre se define uno de los dos estados … :)

    • Quemar brujas!! demuestra el poder de la ignorancia que por muchos años nos hemos inventado como mecanismos para evitar y ocultar los principios con que funciona la vida, principios que podriamos comprender si conocemos un poco sobre fisica cuantica

  3. Es una paradoja, coño. No le busquéis 5 patas al gato, vivo o muerto. Para que lo entendáis, una analogía de algún ser pensante dijo lo siguiente:

    Es como cuando el rey se fue de safari, no sabes que está matando elefantes hasta que se rompe la cadera. Hahha!

  4. Lo de que el gato esté vivo y muerto a la vez es muy sencillo, relativamente. Olvidémonos de gatos y llamemos a las cosas por su nombre.

    Al igual que en la mecánica clásica (la de toda la vida, la del COU y el BUP), las soluciones de los problemas son “trayectorias” (como las que describen los proyectiles, etc.) que satisfacen F=ma en cada punto de la misma (II Ley de Newton), en mecánica cuántica buscamos soluciones a la ecuación fundamental o ecuación de Schrödinger (más información en la red).

    Las soluciones a la misma no son trayectorias, pues en el marco cuántico no tiene sentido hablar de ello (principio de indeterminación de Heisenberg para más información), sino de “estados” como ente abstracto o puramente matemático (aunque con clara interpretación física). Si hablamos de un estado, hablamos de una solución de la ecuación central de la mecánica cuántica.

    Por ejemplo, un átomo de hidrógeno sin excitar está en un “estado” bien definido (1s para los que hayan estudiado bachiller de ciencias). Si lo excitamos, i.e., el electrón “pasa a otra órbita”, el átomo estará en otro “estado” distinto al anterior (por ejemplo, 2s).

    Pues bien; la ecuación de Schrödinger admite soluciones del tipo “suma de soluciones individuales”. ¿Qué quiere decir esto? Si el átomo en un estado es una solución, y el átomo en un estado excitado es otra solución, entonces el “átomo en el estado fundamental y a la vez en el excitado” (esto es, la suma de ambas, con distintos pesos estadísticos o factores multiplicativos, claro) es otra solución o “estado” de dicho sistema, y se dice del mismo que se encuentra en estado de superposición.

    Si llamamos a una solución de la ecuación de Schrödinger “gato vivo” y a la otra “gato muerto”, nos valen las soluciones “gato vivo + gato muerto” además de “gato vivo – gato muerto” o incluso “no hay gato” que sería multiplicar a la solución “gato vivo” por el número cero.

    Un estudiante de física.

  5. La mecánica cuántica lo que nos dice es que las partículas tienen asociada una función de ondas, cuyo módulo al cuadrado nos da la probabilidad de los posibles observables físicos (posición, momento (velocidad), etc…).
    Lo del gato es algo que siempre se cuenta porque resulta muy literario, pero lo que significa es que éste tiene las mismas probabilidades de estar vivo que de estar muerto, y no se sabe hasta que se hace la medida (abrir la caja).

  6. Sobre lo de “medir”… un sistema cuántico es sensible al proceso de medida por parte de los experimentadores. Digamos que parece “como si se enterasen” de que estamos midiéndolos, de modo que cuando “abrimos la caja” o, dicho en cristiano, cogemos nuestro aparato de medida y lo colocamos cerca de nuestro átomo de hidrógeno para ver en qué estado está, obtendremos una y solo una de las posibilidades que tengamos. Se dice que el sistema colapsa.

    Cierto es que podemos prepararlo experimentalmente de modo que sea muy probable encontrarlo sin excitar (1s) o todo lo contrario, casi siempre excitado (2s), pero eso solo consiste en meter más o menos veneno o material radiactivo en nuestra caja con el gato. Esa es la analogía.

    Para más información os recomiendo que busquéis fuentes fiables en blogs de ciencia como “Francis thE mule Science” o similares, de gran calidad, y no os dejéis engañar por pitonisas que hablan de cuántica y alquimia como si fueran cosas esotéricas.

    Un saludo, el del comentario de antes.

  7. Sorprende que una teoría afirme de entrada que es incomprensible; esto parece un artícuo de fe, semejante a aquello de: Dios es incomprensible, pero exite.

  8. Justo, la mecánica cuántica no afirma que sea incomprensible, afirma que es contraria al sentido común (pero es que la física a esas escalas lo es, uno vive en distancias grandes y velocidades bajas, por eso lo cuántico y lo relativista no se comprende bien), pero es la teoría más sólida junto con la relatividad que existe actualmente en la física. Ha descrito desde los años 20 del siglo pasado todos los fenómenos de manera satisfactoria y aún no ha sido puesta en entredicho.

    Un saludo.

  9. Ya que se ha mencionado por aquí, alguien podría explicar bien el experimento de la doble ranura (yo lo conozco muy por encima), cómo se forma el patrón de interferencia con las partículas cruzando ambas ranuras a la vez al no efectuar mediciones y cómo desaparece el patrón al medir. Puede ser más ilustrativo que el gran y famoso ejemplo del gato, siempre es difícil pensar en los dos estados simultáneos del gatito…

    Saludos y enhorabuena por el debate generado

  10. Santi, intento describirte el experimento de la doble rendija, ok?

    Imagina que posees una pared con dos rendijas verticales y una ametralladora con balas esféricas.

    Detrás de la pared existe un detector de impactos que, por ejemplo, con cada balazo deja un círculo de color rojo sobre la pared para marcar el lugar del golpe.

    Cuando gastes 500 recambios de ametralladora habiendo disparado en todas las direcciones posibles como un loco, en la pared estará representado el dibujo de dos rayas rojas tras las ranuras de la pared.

    Ahora imagina que llenas la habitación de agua hasta las rodillas, y en lugar de poseer una ametralladora, tienes una piedra esférica que, al dejarla caer sobre la superficie del agua, formará un patrón de ondas sobre la misma.

    Seguro que lo has visto y sabrás que, a no ser que haya obstáculos, las ondas que salen son circunferencias. Cuando las circunferencias alcanzan las dos rendijas, éstas (las rendijas) actúan como fuentes emisoras de unos nuevos frentes esféricos que interfieren por el camino, formando a la llegada a la pared un patrón de máximos y mínimos de intensidad que se corresponden con la llegada de barrigas o valles de la onda resultante.

    Si los máximos se marcan de rojo observarás un patrón de múltiples franjas rojas en el lugar de los máximos y nada en los mínimos.

    Identificación con la realidad: En lugar de balas u ondas representamos ello con el electrón como partícula o como onda.

    ¿Qué es lo que ocurre? Se supone que los electrones eran partículas puntuales a modo de pelotitas, de modo que el resultado esperado clásicamente al lanzar un haz de electrones sería el mismo que el de disparar balas sobre la rendija, ¿no? Pues el caso es que se obtiene un patrón de interferencia!! WTF?!?!

    No nos rendimos. Disparamos los electrones por “goteo” o uno a uno hacia la pantalla para que no interfieran entre ellos… Y aparece lo mismo, un patrón de interferencai!!!

    Colocamos detectores cerca de las rendijas para descubrir en cada disparo por qué rendija pasa cada electrón (se puede hacer). ¿Qué obtenemos? Un patrón de “ametralladora”!! (Véase colapso de la función de onda que puse hace unos mensajes, el sistema se decide).

    Solución: Dualidad onda-corpúsculo. El electrón actúa como partícula (impactos de ametralladora) o como onda (patrón de interferencia) según las condiciones de observación.

    Te aconsejo ver esto: http://www.youtube.com/watch?v=DfPeprQ7oGc

    Un saludo.

    • Yo creo que la mecànica cuàntica no se comprende, solamente se aplica. Las interpretaciones filosòficas generalmente NO ayudan a nadie, solamente confunden. La mecànica si trabaja y es un hecho que la tecnologìa del siglo 20 y la del siglo 21 se caerìa sin las leyes que aplicamos sin entender. Por ejemplo, ¿ Quièn entiende el campo de Higgs? ¿Tiene alguna relaciòn con con la energìa del campo cero?
      ¿Cual es la forma en que un electròn agita el campo para construir su masa? ¿ Cual es la excitaciòn que le dio el universo visible a el campo de Higgs para crearse? ¿Que relaciòn hay entre la energìa oscura y el campo de Higgs? ¿ Por que postulan la existencia de 10 a la 500 universos parelelos a partir de las ecuaciones
      de Schrodinger que son parte de la base de la mecànica cuàntica?
      Saludos

  11. La verdad es que no lo he entendido muy bien (estudio Derecho…nada que ver con la Física), pero lo del gato lo había aprendido con Big Bang Theory, me ha hecho ilusión ver que sabía lo que era jajaja
    Me encanta tu blog y te leo a diario, sigue así :)

  12. Por lo que yo entiendo, y lleva a mucha confusión y supercherías, no es la mera observación la que modifica el resultado, sino el instrumento de medida que interactúa fisicamente con los electrones determinando su estado.

  13. Empecemos por el principio, la radicación es la operación opuesta a la potenciación, 2×2=4, (-2)x(-2)=4, luego la raíz cuadrada de 4 puede ser 2 o -2, ¿y la de -4?, ahí esta el problema, introducimos los números imaginarios y el espacio de tres dimensiones pasa a tener ¡6!, se puede entender lógicamente pero no se puede visualizar,a partir de esto todo es incomprensible para un profano.

  14. A mi entender. Un electrón se encuentra libremente en un estado ondulatorio, como la que se forma cuando tiramos algo al agua, y se proyecta en forma circular. o sea que su acción se encuentra en mas de un punto al mismo tiempo.
    Si un observador pretende estudiar al electrón mencionado, lo detiene en un lugar determinado en un instante determinado.
    Las condiciones en las que se encuentra el electrón dependen del instante de la observación.

    • Ya no necesitamos cementerios indios ni demas parafernalia supersticiosa basada en creencias erroneas para crear nuestro propio ejercito de gatos-zombie!

  15. Hay otro gato que aparece y desaparece con paradojas interesantes, me refiero al gato de Cheshire ” Alicia en el país de. Las maravillas ” , los diálogos con Alicia son deliciosos como cuando le pregunta esta que camino debe tomar y el gato con tremenda sabiduría le dice que lo importante es saber a donde se quiere ir.

  16. A escala macroscópica podemos encontrar una cierta equivalencia en el hecho de que los seres vivos son inseparables del medio o del contexto.
    En cierto modo, la paradoja del gato no viene a decir que los sistemas aislados solo existen como una idealización, que no podemos observar sin modificar.

  17. Imagina un corcho flotando en agua tranquila. Una ola lo eleva y lo baja, pero no lo mueve del sitio. De la misma manera, las mal llamadas partículas no son “piedras” sino ondas. La luz no está hecha de partículas, sino de ondas, energía. La mecánica cuántica intenta, sin éxito hasta ahora, explicar el comportamiento observado en las partículas que se manifiestan al hacer explotar átomos… Algo así como intentar ver qué “trozos” componen un globo que explota. Pero un globo, una burbuja, está hecha de “tensión”, energía, y al romperla ya no podemos observarla bien. Pensad en una pompa de jabón, que se puede fundir con otras o chocar con ellas. El agua, el aire y el jabón no explican su comportamiento. La materia y la energía son como una “espuma” que intentamos observar y comprender a “pedradas”. Los aceleradores de partículas no nos darán la respuesta mientras sigamos llamando “partículas” a los componentes de los átomos. Los llamados rayos X son también otra forma de luz, y las ondas de radio también, aunque nuestros ojos no las vean. Las partículas NO son partículas y, desde luego, la teoría de que la observación altera o define la realidad es una mala teoría. No creo que la realidad sea tan compleja, sino que todavía no hemos ideado la teoría correcta. Además de masa, tiempo y fuerza necesitamos más conceptos que sustituyan a las falsas “órbitas”, “espines”, “momentos” y demás artificios. Debemos volver atrás y analizar lo observado sin prejuicios. Hace falta un nuevo paradigma.

    No creo en universos alternativos, realidades paralelas ni universos multidimensionales. Nada de eso tiene sentido en realidad. Tampoco creo en un big bang que originase el tiempo y el espacio a partir de un solo punto. Extrapolar las cosas puede ser ridículo. La materia y la energía oscuras nos muestran que algo está equivocado en las teorías actuales…

  18. Pingback: Conocer y comprender | ganartiempo

Deja un comentario