Qué es la física cuántica y en qué se diferencia de la clásica

Es hora de entender qué es la física cuántica

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La física cuántica lleva décadas dando mucho que hablar. Ha impulsado movimientos culturales, una mayor comprensión sobre la naturaleza del universo y, por desgracia, bulos de todos los colores.

Pero ¿qué es la física cuántica? ¿En qué se diferencia de la física convencional?

Índice

  1. ¿Qué es la física cuántica?
  2. Cuantos, unidades básicas
  3. Intuición y física cuántica
  4. Experimento de la doble rendija
  5. Paradojas cuánticas y otros experimentos
  6. Lecturas recomendadas sobre física
  7. Aplicaciones de la física cuántica
  8. Superchería cuántica: que no te timen

¿Qué es la física cuántica?

La física cuántica es una rama de la física surgida hacia 1900 que estudia la naturaleza a escalas espaciales muy pequeñas. Suele trabajar con escalas de átomo o sistemas subatómicos, imposibles de descifrar para el ojo desnudo.

Ocurre que a estas escalas la naturaleza no se comporta del mismo modo que se observa a escala ‘macroscópica’ (una persona, un árbol, una gota de agua), y la explicación de los fenómenos cuánticos, en apariencia raros o contraintuitivos, ha hecho que esta rama de conocimiento se rodee de superchería.

Cuantos de luz, las unidades de la física cuántica

El origen de la mecánica cuántica tal y como se la conoce hoy nace con los estudios de Max Planck, quien se preguntaba si el universo era continuo o discreto. Aunque Thomas Young ya hizo experimentos hacia 1801 basados en hipótesis de Hooke (1635-1703) y Huygens (1629-1695). Esto viene de lejos.

Lo que quiso saber Planck es si las frecuencias características de las partículas subatómicas ocupaban valores concretos o, por el contrario, podían ocupar cualquiera. A estas alturas no es ningún spoiler que Planck descubrió cómo la materia interactúa usando ‘cuantos de luz’ (fotones) de frecuencia determinada.

En palabras de Rafael Andrés Alemañ Berenguer en su título ‘Mundo cuántico: guía de viaje para peatones’ (2015), Planck había descubierto que “los átomos solo vibraban en frecuencias determinadas y discretas, sin absorber o emitir radiación electromagnética con frecuencias distintas a estas”.

La palabra «cuanto» deriva del latín quantum (cantidad) y ha renombrado toda la rama de física cuántica. La física de las cosas que pueden medirse de forma discreta. La física de las cosas pequeñas. Una física de propiedades increíbles.

¿Por qué la intuición no funciona en física cuántica?

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Uno de los primeros conceptos contraintuitivos de la física cuántica respecto a la física básica es que en el proceso de medir se altera lo que se mide. Esta idea, que colapsaría en la relación de indeterminación de Heisenberg en 1927, viene a decir que a escalas subatómicas no podemos mirar sin afectar. También se conoce como ‘principio de incertidumbre’.

Para entender esto imagina que paseas por la calle y ves a un pelotón de ciclistas cruzarse contigo. Lo ves porque un fotón de luz (o miles de millones de ellos) han impactado contra su superficie y luego rebotado hasta tu ojo. Tus células oculares reciben esa información a través de otro intercambio de energía, y tu cerebro dice “ahí hay un pelotón ciclista”. Hasta aquí, nada raro.

Para entender qué es la física cuántica, hay que saber que a escalas atómicas esto no funciona del todo así. Dado que el tamaño y energía de los fotones tiene unas escalas muy parecidas al objeto observado, cuando los fotones colisionan contra un pelotón de electrones alteran de forma significativa su energía, posición y velocidad. Los cambian, y la información obtenida queda automáticamente desactualizada.

Sería algo así como tratar de ‘visualizar’ un pelotón ciclista observando cómo rebotan sobre ellos balones medicinales. Además de muy doloroso, aportaría muy poca información sobre la posición real de los ciclistas, ahora entumecidos en el suelo o pedaleando para huir a toda velocidad. La física cuántica tiene este tipo de características curiosas.

El experimento de la doble rendija

El experimento de la doble rendija tuvo en jaque a los científicos, que durante algún tiempo se vieron completamente incapaces de explicar qué estaba pasando. Aún hoy hay muchas dudas, y es perfectamente comprensible que tras leer este apartado uno no sepa cómo reaccionar a la información. Este ‘juego’ consiste en un emisor de electrones individuales enfrentado a dos rendijas que a su vez miran a una lámina de detección.

experimento doble rendija simplificado
Simplificación conceptual del experimento de la doble rendija

En el primer experimento se lanzaba un electrón cerrando una de las rendijas, y ocurre que el patrón sobre la lámina del fondo tiende a concentrarse en dos grandes conjuntos de ‘dianas’ según la rendija abierta. Si el electrón emitido iba hacia la rendija abierta, pasaba y golpeaba la lámina; si no, no. Hasta aquí todo normal, y el patrón según se abriese una u otra rendija era así:

experimento doble rendija
Patrón del Experimento 2 de la doble rendija

El problema, claro, es lo que ocurre cuando ambas rendijas se abren a la vez (tercer experimento). El electrón que ‘sale’ por una rendija ya no impacta justo delante de esta, sino que lo hace siguiendo un patrón de interferencia extraño. De alguna forma, el hecho de que haya una rendija por la que ‘no’ pasa sí afecta a dónde se va a dirigir. A escala macroscópica, sería como tener más posibilidades de tropezar en un escalón si un vecino del barrio abre su puerta.

experimento rejilla
Patrón del Experimento 3 de la doble rendija

Pero el cuarto experimento es aún más confuso. Cuando se ubica un sensor a la salida de ambas rendijas, ya no se obtiene un patrón de interferencias en la pantalla. El mero hecho de medir el experimento cambia su resultado (como ya habíamos adelantado con los balones medicinales) dando lugar a los resultados del Experimento 2.

Solo cuando no se sabe dónde está el electrón se puede concluir que está en ambas cajas (o que al menos la información de la caja por la que no pasa afecta al resultado), pero una vez que se mide dónde está, se sabe con certeza y el patrón no es de interferencia. Este concepto revolucionó la concepción de la mecánica clásica, y aún hay mucho sobre lo que no se sabe.

Paradojas cuánticas y experimentos curiosos

Estos dos experimentos de física cuántica no son los únicos que arrojan resultados extraños, pero sí son los más fáciles de explicar al menos de esta forma tan rudimentaria. Los vídeos de Quantum Fracture juegan con contenido audiovisual que aporta más posibilidades a la hora de explicar estos fenómenos y sus propiedades. ¿Por qué no son iguales en función de la escala?

Aunque las leyes físicas son universales, sus manifestaciones no son iguales a todas las escalas, en parte debido a propiedades emergentes. Por ejemplo, a pesar de que el universo está casi vacío (más del 99,9999999% del espacio que te rodea o compone no tiene materia dentro), la presión eléctrica de los átomos que te componen impiden que atravieses el suelo y otros objetos.

Cuando se habla de las ‘propiedades de la física cuántica’ en realidad se habla de las propiedades de la física en general, pero a escalas distintas y con comportamientos extraños. Muchos de los cuales nos han ayudado a diseñar una mejor tecnología.

Lecturas recomendadas de física cuántica

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Brian Greene, Michio Kaku y Stephen Hawking tienen libros interesantes con los que adentrarse en la física cuántica, aunque suelen ser demasiado generalistas y explicar los conceptos de forma que presuponen que el lector jamás entenderá los entresijos de la mecánica cuántica. O bien contar con tantas ecuaciones que sin duda el lector lego en la materia se dormirá en la introducción.

En castellano, uno de los mejores libros para entender en profundidad (y con diagramas sencillos) este mundo microscópico es ‘La realidad cuántica’ (2013, Drakontos) de Andrés Casinello y José Luis Sánchez Gómez, ambos profesores que destacan por su capacidad pedagógica.

Aplicaciones de la física cuántica

Pese a lo complicada que resulta, la física cuántica tiene un lugar importante en la sociedad. Por ejemplo, gracias a ella se inventó el transistor, base de la informática actual. El concepto de que las partículas son ondas y que las ondas son partículas (la naturaleza dual de la materia, una propiedad más a la lista) ha sido imprescindible en toda aplicación tecnológica.

Esta dualidad ha dado lugar a inventos tan poco conocidos como los láseres de microondas (en lugar de láseres de partículas), útiles en aplicaciones de medicina explorativa o telecomunicaciones. La célula fotoeléctrica no podría funcionar sin los conocimientos básicos de la física cuántica, y la nanoelectrónica sería solo un sueño hipotético.

Superchería cuántica: cuidado con los cuentos cuánticos

Al calor del término ‘cuántico’ han surgido todo tipo de expresiones y conceptos absurdos como terapias enmarcadas en la categoría de pseudociencia. La gran ventaja es que son engaños muy fáciles de detectar. La física cuántica no se usa en medicina: si alguien anuncia algo similar, es un timo.

Algunas terapias sí hacen uso de tecnologías avanzadas que han mejorado con una mayor comprensión de las teorías de la física cuántica, como pueden ser algunos usos de láseres o las imágenes por resonancia magnética. Sin embargo, estas no se venden bajo esos términos de marketing dirigido al usuario, y con frecuencia usan nombres que suenan como ‘efecto Josephson’.

De modo que si uno lee algo sobre medicina cuántica, memoria del agua o energía cuántica, puede estar completamente seguro de que es una pseudociencia peligrosa de la que conviene alejarse e incluso denunciar.

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Imágenes | Casey Horner, Michael Dziedzic, Wikipedia, Propias

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