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La teoría cuántica es tendencia; es mencionada en Los Simpson, se escriben libros de poesía cuántica, hay presunta música cuántica, los memes cuánticos recorren las redes, la tecnología nos promete la computación cuántica basada en entrelazamiento cuántico, los pícaros estafan con medicina cuántica, mientras el gato de Schrödinger deambula, pega saltos cuánticos entre la vida y la muerte.
Mientras tanto La resolución A/RES/78/287/07-06-2024/ONU declara al 2025 como el año centenario de la ciencia y tecnología cuántica.
La razón de esta “quantum-manía” es que más allá de su pegada mediática en la cultura pop la Teoría Cuántica es el avance más importante en nuestra comprensión de la realidad y con mayores repercusiones, conceptuales y prácticas, que la humanidad haya conseguido en el lapso de una sola generación a lo largo de toda su larga historia.
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Hacia finales del siglo XIX la humanidad podía sentirse orgullosa por la comprensión lograda del mundo físico; las leyes de movimiento y la gravitación universal que Newton tuvo la delicadeza de legarnos hacia 1700, y la síntesis de los fenómenos eléctricos y magnéticos que logró James Clerk Maxwell en la segunda mitad del siglo XIX. Entendíamos razonablemente bien la realidad física, los fenómenos acústico, la hidrodinámica, la naciente termodinámica, sabíamos el porqué de las mareas, el movimiento de los objetos cerca de la superficie de la Tierra, la esfericidad de los astros (terraplanistas temblad!!) y la delicada maquinaria del sistema solar. Sabíamos de las fuerzas eléctricas y magnéticas y que la luz es una onda de campos electromagnéticos oscilantes.
Creímos saber todo. Muchos físicos de la época mantenían que la física como empresa intelectual estaba ya finalizada. Todo lo que faltaba eran más cifras decimales en las mediciones experimentales; detalles, pues. La ingenuidad de los físicos es proverbial, no importa cuándo leas esto. Simplemente no lograron vislumbrar el terremoto conceptual que estaba por producirse.
Pero la materia nos estaba mandando señales que no comprendíamos; nos proponía un acertijo que éramos incapaces de descifrar. Era una época en que aún ni siquiera había evidencias contundentes de la existencia de átomos, mucho menos de su funcionamiento. Las señales eran el descubrimiento de los rayos X y de la radioactividad. No se entendían qué eran unas precisas líneas brillantes cuando se analizaba la luz de gases incandescentes. Tampoco se sabía explicar las leyes que rigen la radiación que emiten los cuerpos calientes. El desacuerdo entre las observaciones y las predicciones teóricas eran catastróficas. Algo estaba mal, muy mal.
El primer indicio de una nueva física vino de la mano de Max Planck, quien logró el ajuste entre la teoría y el experimento en las leyes de la radiación térmica; pero el precio que tuvo que pagar fue proponer que los átomos emiten y absorben radiación de una manera discreta, y no continuamente como se pensaba. La energía de cada paquete o quantum de energía, como los llamó Planck dependía de la frecuencia de la radiación y de una nueva constante universal llamada constante de Planck. Esta vez fue el electromagnetismo quien recibió un rudo golpe. Un tiempo después Einstein explicó el efecto fotoeléctrico suponiendo que la luz es un flujo de partículas cada una con una energía dada por la relación de Planck. Ambos, Planck y Einstein ganaron el Nobel en 1918 y 1921 por sus respectivas contribuciones.
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Planck presentó sus resultados el 14 de diciembre de 1900, a escasas dos semanas de entrar en el nuevo siglo. Como la cinematografía, el bolero y el jazz, la teoría cuántica es otra invención del Siglo XX. Pero conocer el comportamiento de la luz es distinto de tener una teoría de los átomos que la emiten. Faltaba un cuarto de siglo aún. Descifrar el enigma del mundo atómico resultó demasiado complejo para una única mente y requirió de un vigoroso intercambio de datos experimentales, porque sin datos no hay paraíso. Ni tampoco se descifró en un día. Digamos que lo más relevante ocurrió en una Europa estremecida por las vanguardias intelectuales que presagiaban vientos de cambios. Eran el dodecafonismo y el atonalismo en música, el cubismo y el simbolismo en pintura, las nuevas formas narrativas de Joyce y Kafka, el dadaísmo y el arte conceptual, la naciente cinematografía de los hermanos Lumiere y Chaplin y era Freud y su psicoanálisis que nos violaba el inconsciente metiéndose en nuestros sueños. Y los sueños presagiaban pesadillas. Europa, también era el escenario de una efervescencia política y social que produjo dos guerras mundiales pavorosas, dolores de parto de un mundo que nacía y otro que se negaba a desaparecer.
Fue precisamente en el convulso período entre guerras, cuando una joven generación de jóvenes físicos ávidos de conocimiento, que estuvieron en el momento apropiado, en el lugar apropiado y con el talento apropiado para entre ensayo y terror, lograr desencriptar los secretos del mundo atómico y diseñar finalmente la teoría cuántica que explicaría al átomo. La edad promedio de los seis más importantes, era de apenas treinta años, hoy serían centennials, y el epicentro del torbellino era Europa central, Berlín, Gotinga, Viena, Copenhaguen; lo demás era paisaje. Si los alemanes Planck y Einstein abrieron la compuerta, sus paisanos la cerraron con broche de oro, porque en los cinco años entre 1924 y 1928, en una avalancha de artículos, la teoría cuántica estuvo esencialmente diseñada.
En 1924 Louis de Broglie aventuró la hipótesis de que las partículas (electrones, neutrones, átomos, moléculas…) tenían propiedades ondulatorias. La esquizofrenia no es exclusiva de la luz. Dualidad onda partícula fue el elegante nombre que los físicos le dieron a esta propiedad.
En 1925 el alemán Werner Heisenberg presentó su mecánica de las matrices, la primera formulación matemática de una teoría que predecía las frecuencias de la luz emitida por el átomo más simple, el de hidrógeno.
En 1926 el austríaco Erwin Schrödinger publicó la ecuación que llevaría su nombre y cuya incógnita, la función de onda captura todo el conocimiento que podemos tener de un sistema cuántico. La ecuación de Schrödinger es a la física cuántica lo que las leyes de Newton son a la mecánica.
Heisenberg propuso el Principio de incertidumbre: no podemos conocer con precisión ilimitada la posición y la velocidad de una partícula cuántica; si conociéramos con mucha precisión dónde está, la velocidad sería imprecisa, y viceversa. Si no podemos conocer posición y velocidad de manera exacta, no podemos hablar de trayectoria, ni de posición.
En 1927 el inglés Paul Dirac demostró que ambas teorías eran diferentes aspectos matemáticos de la misma teoría y el alemán Max Born propuso la interpretación correcta, el cuadrado de la función de onda en una región, representa la probabilidad de que la partícula se encuentre en esa región, y el gato de Schrödinger maúlla displicentemente.
El mundo a escala cuántica es incierto, si queremos medir una propiedad, el proceso de medición altera la propiedad que queremos medir, y de una manera impredictible. Es culpa de la constante de Planck. Si ella fuese cero, no habrían incertidumbres. El azar entra en los sistemas cuánticos de una manera prescrita por las propias leyes y no es que nuestros instrumentos de medición sean imperfectos.
“Dios no juega a los dados con el universo” fue la metáfora que usó Einstein para expresar su inconformidad con una teoría que abolía el determinismo. Pensaba que era una etapa transitoria y que el descubrimiento de variables ocultas, le restituiría a la física su carácter determinista. La historia no le dio la razón. El azar entró en las leyes de la física de una manera fundamental y definitiva. Los caminos de la ciencia no son como nosotros pensábamos. A pesar de eso desciframos el enigma, fue un hito histórico, hackeamos una parte del universo y hay razones para celebrar el centenario de ese acontecimiento.
Luego se usó lo aprendido para averiguar propiedades de sistemas más complejos, extender los preceptos cuánticos a otros sistemas físicos e inventar usos tecnológicos; pero eso será tema de otra entrega.
*Doctor en Física, profesor de la Universidad Industrial de Santander, realizador de los podcasts Astronomía al Aire
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Por Héctor Rago*
