¡La Mecánica Cuántica! con sus insondables secretos

Werner Heisenberg

Sí, el principio cuántico es muy extraño. Cuando en 1927, el joven físico alemán Werner Heisenberg llegó al Principo de Indeterminación, la física moderno rompió de manera decisiva con la física clásica, una nueva Era comenzaba con otra manera de mirar el mundo que nos rodea a través de la Física. Heisenberg descubrió que se puede conocer, o bien la posición exacta de una partícula determinada, o bien su trayectoria exacta, pero no ambas.

¡¡La mecánica cuántica!!, o, la perplejidad de nuestros sentidos ante lo que ese “universo cuántico” nos ofrece que, generalmente, se sale de lo que entendemos por sentido común. Ahí, en el “mundo” de los objetos infinitesimales, suceden cosas que, no siempre podemos comprender. Y, como todo tiene una razón, no dejamos de buscarla en cada uno de aquellos sorprendentes sucesos que en ese lugar tienen lugar. Podríamos llegar a la conclusión de que, la razón está en todo y solo la encontramos una vez que llegamos a comprender, mientras tanto, todo nos resulta extraño, irrazonable, extramundano y, algunas veces…imposible. Sin embargo, ahí está. Dos elementos actúan de común acuerdo para garantizar que no podamos descorrer el velo del futuro, de lo que será después (podemos predecir aproximaciones, nunca certezas), el principal de esos elementos es la ignorancia nunca podremos saber el resulktado final de éste o aquél suceso sin tener la certeza de las condiciones iniciales. En la mayoría de los sistemas físicos son, en mayor o menor medida dada su complejidad, del tipo caótico es tal que, el resultado de las interacciones entre elementos eson sumamente sensibles a pequeñísimas variaciones de los estados iniciales que, al ser perturbados mínimamente, hacen que el suceso final sea y esté muy alejado del que se creía al comienzo.

Desde las certezas que parecía darnos la mecánica clásica de Newton sobre la posición, trayectoria y velocidad de cualquier partícula microscópica o cuerpo celeste se nos echaba en brazos de la indeterminación cuántica. Ya no podía conocerse simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula con la infinita exactitud que se suponía, y el principio de indeterminación de Heisenberg parecía habernos desterrado del paraíso de las certidumbres clásicas. Pero ese paraíso nunca existió en realidad, desde un punto de vista puramente clásico se puede demostrar que la predictibilidad que se suponía a los sistemas clásicos nunca fue esencialmente cierta. Independientemente de la precisión con que conozcamos el estado inicial de un sistema clásico (no cuántico) las imprecisiones tienden a crecer, de forma natural, con el tiempo y nuestra información inicial puede llegar a ser inútil para predecir su evolución futura.

Captan por vez primera imágenes en tiempo real de dos átomos …

Ahora bien, esto se trata de ignorancia pura. Si fuésemos capaces de contrOlar las condiciones iniciales, y además pudiésemos considerar el estado de cada una de los cientos o miles de variables que influyen sobre el sistema, podríamos predecir con exactitud la velocidad y la trayectoria de unas bolas de billar, por ejemplo, en cualquier tiempo futuro. De hecho, la Ciencia se está volviendo extremadamente buena en controlar y calcular las condiciones de un sistema. Somos capaces de enviar naves espaciales a sitios muy distantes con una exactitud enorme (la Cassini es un buen ejemplo y, ayer mismo, teníamos aquí la partida de la Curiosity hacia el planeta Marte). Si sabemos controlar las condiciones iniciales (y no ocurren accidentes por el camino) podemos predecir, con ciertas garantías que, la nave llegará a su destino como se había calculado. Es decir, de alguna manera, estamos impidiendo ese principio de incertidumbre que está presente en todo lo que acontece en nuestras vidas, en el mundo y, en el Universo.

Nunca podremos estar seguros del resultado en una tirada de dados. En verdad, son pocas las cosas en las que podemos tener una completa certeza, y, aunque no lo sepamos, la razón está en la ignorancia de las condiciones iniciales y, en el caso de los dados en los factores que intervienen en el movimiento. Decimos entonces que la Naturaleza es aleatoria. Claro que, si yo tuviera que apostar con esos dados, sin dudarlo, escogería el 7. Esto es porque hay más maneras de formar 7 que cualquier otro número. Para más precisión, hay seis combinaciones de dados que darán un 8 o un 6. Claro que la certeza no existe y, entonces, recurrimos a las probabilidades. (Schrödinger creó su ecuación de la función de onda (Ψ) precisamente para contraponerla al principio de incertidumbre de Heisenberg, él nos situó en el campo de las probabilidades para “saber” dónde podría estar una partícula.

Si observamos un protón que atraviesa una cámara de niebla (ahora cámara de chispas, más moderna y efectiva), registrando su trayectoria podemos conocer la dirección en la que se mueve, pero en el proceso de abrirse camino a través del vapor de agua de la cámara el protón disminuirá su velocidad, escamoteando información de dónde estaba en un momento determinado.

Alternativamente, podemos irradiar el fotón -tomar una instantánea de él, por decirlo así- y de este modo determinar su situación exacta en un instante determinado, pero la luz o cualquier otra radiación que usemos para tomar la fotografía apartará al fotón de su recorrido fijado, impidiéndonos el conocimiento de dónde habría estado si no hubiésemos actuado sobre él. Así que, el resultado es que estamos limitados en nuestro conocimiento del mundo subatómico. Sólo podemos obtener respuestas parciales, cuya naturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por indagar.

Cuando Heisenberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

Esquema de la formación de una traza en la cámara de niebla

Los físicos de partículas suelen encontrarse en sus vidas profesionales con el inconveniente de que aquello con lo que trabajan es tan sumamente pequeño que se vuelve indetectable tanto para el ojo humano como para los más avanzados sistemas de microscopía. Es cierto que en la actualidad se pueden conseguir imágenes en las que se distinguen átomos individuales cuando estos son lo suficientemente grandes, pero de ahí a poder visualizar un sólo protón, o un aún más pequeño electrón, hay un escalón insalvable para la técnica actual. Se han tomado espectros del electrón y, cada día, se avanza en esa dirección.

¿Cómo pueden, pues, los físicos saber que aquello con lo que trabajan no es un mero ente creado por su mente? ¿Cómo se pueden asegurar de que las partículas subatómicas existen en realidad? La respuesta es obvia: a través de su interacción con otras partículas o con otro sistema físico; y un ejemplo extraordinario de ello es, por ejemplo, en una cámara de niebla.

Claro que, la Indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado para investigar el mundo subatómico. Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la Física atómica clásica se creía que se podía, en principio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas -digamos protones- y a partir de los datos resultantes formular predicciones exactas de donde estarían los protones en determinado tiempo futuro. Heisenberg vino a demostrarnos que tal supuesto era falso, que nunca podremos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sola partícula.

Cualquier detector debe contener un medio sensible que quede perturbado al paso de la partícula a registrar (lo que “vemos” es la huella que deja la partícula al atravesar el medio) Esa perturbación debe poderse traducir a imágenes y datos numéricos que permitan reconstruir la trayectoria y calcular sus características.

Las imágenes de las partículas proceden de dos tipos de detectores: las cámaras de burbujas y los detectores electrónicos. En el primero, las partículas cargadas dejan a lo largo de su trayectoria una traza de burbujas de vapor que se puede ver y fotografiar. Es un proceso en cierto modo inverso al de la formación de una estela de vapor de agua al paso de los aviones a reacción.

Así que, el nuevo marco expuesto por el Principio de Indeterminación de Heisenberg cambió fundamentalmente nuestra visión del mundo de la física. Nos dio un nuevo conocimiento: A partir de aquel momento sabíamos que, no sólo la materia y la energía estaban cuantizadas sino que, también nuestro conocimiento del Universo lo estaba.

Cuanto más minuciosamente se examina el mundo subatómico, mayor parece la Indeterminación. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. Los mismos radios orbitales están cuantízados, y el electrón simplemente deja de existir en un punto para aparecer simultáneamente en otro. Es el famoso “salto cuántico” que tanto desconcierta. Eso nos viene a demostrar que predecir exactamente la conducta de los átomos.

De modo similar, a como vimos antes, es en virtud de la indeterminación cuántica como los protones pueden saltar la barrera de Coulomb, permitiendo que la fusión nuclear se produzca a una tasa suficiente para que las estrellas sigan brillando.

Imagen ilustrativa de la dualidad onda partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas, verdaderamente la mecánica cuántica puede resultar extraña debido a su complejidad, en su “universo” los comportamientos difieren de lo que nos dicta el sentido común en nuestras vidas cotidianas del mundo macroscópico.

Sin embargo, como todo lo grande está hecho de cosas pequeñas, necesitamos conocer lo pequeño para comprender lo grande. Hasta la estrella más grande y la galaxia más brillante del Cosmos, están conformadas de partículas subatómicas unas más elementales que otras.

En fin amigo, que tenemos en nuestras manos todos los interrogantes que debemos desvelar y, otros muchos, que ni conocemos, y, por delante una tarea de tal complejidad que,  posiblemente, nunca podremos acabar. Un sin fin de misterios  que desvelar, problemas que resolver y, preguntas que contestar y, siendo conscientes de que, sin descorrer el velo que esconde los secretos del Universo…poco podríamos avanzar, nos sumergimos en la difícil tarea de conquistar ese conocer de las cosas ignoradas para que, algún día en el futuro, podamos saber, al menos hacia dónde vamos.

Sabemos que el presente está cargado de pasado y que, el futuro, lo estará de presente. Si eso es así (que lo es), tratemos de mejorar este presente para que, el futuro, sea algo mejor de lo que hoy tenemos. Y, amigos, si queremos, podremos lograrlo.

Muchos de los pasajes aquí volcados han sido extraídos de la obra “La Aventura del Universo” de Timothy Ferris, profesor emérito de la Universidad de California que es un maestro indiscutible de la divulgación científica, otros tienen otras fuentes y, alguna fracción del contenido puede ser de propia cosecha que, alguna cosa se va aprendiendo con el tiempo.

emilio silvera

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