La física cuántica y las preguntas sin respuesta

La física cuántica permitió la construcción del laser y del transistor, los circuitos integrados, las computadoras. / Flickr Thomas W - Creative commons

La materia a nuestro alrededor es formidablemente diversa. Desde tenue la luz hasta el rígido diamante o desde los metales hasta el agua y las moléculas que nos forman, la variedad es formidable.

Uno de los méritos de la ciencia del siglo XX fue comprender que toda esta diversidad que evidencia la materia es expresión de su estructura cuántica subyacente.  La humanidad dispone de una teoría que desafía abiertamente nuestro sentido común pero miles de experimentos y éxitos son garantía de que es una teoría correcta.

La física cuántica nació tras el fracaso de la física de Newton y el electromagnetismo,  en trance de explicar las intimidades de la materia. Nuevos conceptos, resultados experimentales y matemáticas comenzaron a ajustarse y en varias décadas los físicos construyeron una teoría capaz de abordar la realidad a la menor de las escalas,  que nos brinda explicaciones de los fenómenos observados, y que es exitosa a la hora de anticipar fenómenos y hacer predicciones. 

Los átomos emiten o absorben radiación de una manera discontinua, en paquetes mínimos de energía llamados fotones, por eso los electrones tienen órbitas preferenciales en el átomo. Las partículas a esta escala evidencian propiedades ondulatorias o corpusculares, y están descrita por una función de onda.  En 1926 Erwin Schrödinger descubrió la ecuación que permite obtener la función de onda para algunos sistemas.

Un electrón por ejemplo puede estar en diferentes estados simultáneamente, cada uno con diversas probabilidades, o pasar por dos rendijas a la vez e interferir con ella misma. Si intentamos discernir por cuál de las rendijas pasó, destruimos la interferencia: la física cuántica nos enseñó que la observación de un fenómeno lo modifica de una manera esencial que no podemos prever: la naturaleza nos impone una limitación profunda a la hora de medir algunas variables físicas, y no depende de que los equipos no sean suficientemente buenos.   Este resultado es el famoso Principio de Incertidumbre. Esta limitación obliga a que la física cuántica sea una descripción intrínsecamente probabilista.

A pesar de que nuestra intuición no puede vislumbrar el extraño mundo cuántico, los éxitos de la cuántica son tan contundentes que se impone como una descripción válida del micromundo.

La ecuación de Schrödinger nos permite entender el espectro de la luz, la constitución de los átomos y la tabla periódica de los elementos, la radioactividad y la estabilidad de la materia. Dirac descubrió la ecuación que describe el electrón a altas velocidades y esa ecuación permitió predecir la antimateria. Los preceptos cuánticos se aplicaron luego al campo electromagnético y  entendimos mejor la interacción de los electrones con la radiación. Se aplicó a las fuerzas nucleares  y supimos más del núcleo atómico.

Sin la física cuántica no podríamos hacer reactores o conocer por qué brillan las estrellas, ni de donde vienen los átomos de los distintos elementos. Gracias a ella entendemos el magnetismo de la materia o la superconductividad. Y también la naturaleza de las estrellas de neutrones o de las enanas blancas. Y cada reacción  en los potentes aceleradores de partículas.

El conocimiento del mundo subatómico que nos brinda la física cuántica permitió la construcción del laser y del transistor,  los circuitos integrados, las computadoras, los teléfonos celulares e internet. Y promete una súper-revolución tecnológica con la computación cuántica, el encriptamiento de códigos y la teletransportación.

Por otra parte la física cuántica ha desatado persistentes discusiones filosóficas: ¿Es la naturaleza intrínsecamente indeterminista? ¿Cuál es la interpretación real y la naturaleza de la función de onda? ¿Es tan sólo un artefacto matemático para describir los sistemas cuánticos? ¿Puede una partícula estar en varios lugares a la vez? ¿Hay una realidad objetiva a escala cuántica?

Teorías profundas suscitan preguntas profundas. La física cuántica es sin duda uno de los logros más elaborados de la humanidad.