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.


La Física Cuántica explicada para orangutanes perezosos

Una de las peticiones más habituales para este blog es que expliquemos, de manera sencilla, los conceptos básicos de la física cuántica.

Yo pensaba que Gustavo Adolfo Bécquer ya lo había dejado claro:

¿Qué es física cuántica? –dices mientras clavas en mi pupila tu pupila azul. ¿Qué es física cuántica? ¿y tú me lo preguntas? Física cuántica… eres tú.

Pero ayer hice un trato y esta mañana tengo que escribir del asunto al que he dedicado mi lozana juventud.

¿Qué es la Física Cuántica?

La física cuántica es una teoría que describe cómo funciona el mundo a escalas muy, muy pequeñas.

Es una teoría científica, es decir, su validez reposa sobre experimentos. Si los experimentos diesen resultados diferentes a los que predice la teoría, tiraríamos la física cuántica a la basura.

En la ciencia no hay Biblia que diga “lo que aquí se dice es verdad y lo será siempre”. El cementerio científico está repleto de hermosísimas teorías que, en su momento, parecían ciertas.

Nada nos hace tan felices a los científicos como demostrar que nuestros predecesores estaban equivocados.

¿Porqué la Física Cuántica es tan fascinante?

Porque predice efectos que desafían a nuestra intuición. ¿Qué significa que una partícula pueda estar en un lugar y todos los lugares a la vez? ¿Qué es la interpretación de los “Universos paralelos”? El gato de Schröedinger, ¿está vivo o muerto?

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 mecánica cuántica no es la única teoría que predice “cosas raras”. Que la Tierra es redonda, que la Luna no tiene luz propia, que los océanos y las nubes están formados por el mismo compuesto o que cierto bichillo es el responsable de la malaria, son cosas que hoy nos parecen evidentes.

Pero no lo son: los humanos las desconocimos durante la mayor parte de nuestra historia. Y eso que los antiguos eran bastante espabilados. En el siglo IV a.C., los astrónomos chinos ya predecían los eclipses lunares con precisión. ¿Serías vosotros capaces de hacerlo con toda la tecnología actual?

En un distante futuro, cuando vuestros nietos os miren avergonzados porque les confeséis que la física cuántica “os parece extraña”, ¡desafiadles con la historia de los astrónomos chinos!

¿Porqué a la Física Cuántica se le llama “La Teoría Final”?

Cuando oigáis eso de que la física cuántica es “La Teoría Final” o “La Teoría del Todo” significa que os encontráis ante una de estas personas:

1) Un físico que está vendiendo el vehículo a motor de dos ruedas para conseguir financiación.

2) Un periodista de “El Mundo”.

Ahora en serio: tiene cierto sentido decir que la física cuántica es “la teoría del todo”, pero esta terminología provoca muchos malentendidos.

Imaginad que queréis comprender el ritual de apareamiento de la hiena siberiana. Las hienas están formadas de carne. La carne está formada de moléculas. Las moléculas están formadas de protones, neutrones y electrones. Y así hasta los quarks, que son los componentes más fundamentales que conocemos.

En principio, si sabéis cómo se comportan todos los quarks de todas las moléculas de toda la carne de las hienas (y los quarks de todos los árboles y animales que las rodean), podréis describir su ritual de apareamiento. Pero éste no parece el enfoque más práctico para comprender los secretos del sexo animal.

El reduccionismo puede ser, a la vez, verdadero e irrelevante.

Si quieres comprender cómo se conduce un coche, vas a una autoescuela. Si quieres comprender cómo funciona un coche, vas a una facultad de ingeniería. ¿Son más fundamentales los conocimientos del ingeniero que los del conductor? Sí. ¿Es necesario saber cómo funcionan todas las piezas de un automóvil para entender cómo se conduce? No.

“Lo que ocurre por debajo” puede ser irrelevante para comprender ciertos aspectos realidad.

En la pantalla que tenéis frente a vuestros ojos, se están produciendo billones de transiciones atómicas que pueden describirse con las ecuaciones de la mecánica cuántica. ¿Necesitáis comprenderlas para disfrutar de mi elegante prosa?

Pensar que la física cuántica lo explica todo es tan estúpido como decir “no necesito un mapa porque ya está la Tierra”. Despreciar la física cuántica es tan zopenco cómo confudir el mapa con la Tierra misma.

¿La Física Cuántica sirve para algo más que hacerse manolas mentales?

Los físicos que construyeron la teoría cuántica a principios de siglo, revolucionaron el mundo. Eran un puñado de teóricos que buscaban “descifrar la realidad” y a quienes no preocupaba demasiado si sus investigaciones “tendrían aplicaciones”.

Pero los ordenadores sólo fueron posibles porque ellos descubrieron las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los átomos. Sin la física cuántica tampoco tendríamos telecomunicaciones modernas ni radioterapia. Prácticamente todos los procesos industriales, desde la producción de aviones a medicamentos, usan luz láser, un fenómeno que se descubrió como solución matemática a ciertas ecuaciones de la mecánica cuántica.

La geopolítica de la segunda mitad del siglo XX tampoco puede comprenderse sin otra creación de los físicos cuánticos: la bomba atómica.

Hemos nacido en un mundo cincelado por la imaginación de gigantes como Einstein, Bohr, Heisenberg o Dirac.

Por cierto, la Web la inventó otro físico mientras trabajaba en el Laboratorio Europeo de Partículas. O sea que, en la escritura de esta entrada se han necesitado, al menos, dos físicos cuánticos: Tim Bernes Lee y yo. Jabugo de bellota.

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Queridos lectores de azules pupilas, ¿les apetece que comencemos en el blog un “Curso de Física Cuántica para Orangutanes Perezosos”?