Algunas cosas se comportan según las extrañas

El gato de Schördinger
La física en el país de las maravillas
Algunas cosas se comportan según las extrañas leyes de la mecánica cuántica y
otras no. Los fenómenos de los que da cuenta esta disciplina son tan
desconcertantes que Albert Einstein los puso en duda al decir: “Dios no juega a los
dados con el Universo”. Se cuenta que a propósito de esta afirmación, otro famoso
físico, Stephen Hawking, replicó, muchos años después: “No sólo juega a los
dados, sino que los tira donde nadie lo ve”.
A lo mejor han visto la película Alicia en el país de las maravillas; mejor aún, quizá
han leído el libro original de Lewis Carroll, que es mucho más fino. En cualquier
caso, seguramente saben que en el país de las maravillas las cosas no suceden
como mandan el sentido común y las buenas costumbres. Por ejemplo, en el
fascinante y extraño mundo de Lewis Carroll para quedarte en el mismo lugar
tienes que correr lo más rápido posible, que es exactamente lo contrario de lo que
ocurre en el mundo cotidiano. Si van a visitar al “sombrerero loco” hagan lo que
hagan siempre llegarán a la hora del té. Y si se pasean por ahí tal vez se topen
con un gato sin sonrisa, lo que no tendría nada de raro, pero también se pueden
encontrar una sonrisa sin gato, que es como suele aparecerse el famoso gato
Cheshire que ayuda a Alicia en sus peripecias.
Y hablando de gatos, quisiera contarles la historia de un felino que también tiene
sus rarezas: el gato de Schrödinger. Este personaje no vive en el país de las
maravillas, sino en el mundo de la mecánica cuántica, rama de la física que
estudia el comportamiento de la materia en la escala de los átomos, los
electrones, los fotones y otras partículas submicroscópicas; tiene tantas
aplicaciones que la vida moderna —con computadoras y rayos láser, por
ejemplo— no sería posible sin ella.
En el mundo cuántico suceden cosas tan extrañas como las que le ocurrieron a
Alicia un día, cuando se quedó dormida debajo de un árbol.
La física en el país de las maravillas
“Hubiera preferido ser zapatero en vez de físico”, escribió Albert Einstein a su
amigo Max Born en los años veinte, al ver el cariz que estaba tomando la física
con el nacimiento de la mecánica cuántica, teoría de la cual tanto Einstein como
Born eran creadores. Los físicos habían empezado a hablar de partículas que se
comportan como ondas y que no tienen posición definida hasta que uno las
observa, de “saltos cuánticos”, en los que una partícula (por ejemplo, un electrón
girando alrededor del núcleo de un átomo) podía ir de una posición a otra
instantáneamente sin pasar por los puntos intermedios, y de otras rarezas por el
estilo, más dignas de los personajes de Lewis Carroll que de los objetos que
solían estudiar los físicos.
La mecánica cuántica (en la interpretación más usual, mas no la única) decía que,
mientras nadie lo observara, un objeto gobernado por las leyes cuánticas podía
encontrarse en muchos estados al mismo tiempo, aunque éstos fueran
incompatibles desde el punto de vista de la física de todos los días, la llamada
física clásica. Un electrón, digamos, podía estar en varios lugares al mismo
tiempo, o tener dos valores distintos, y opuestos, de la propiedad física de las
partículas submicroscópicas conocida como espín. En lenguaje técnico se dice
que el objeto se encuentra en una superposición de estados coherentes. Sin
embargo, cuando alguien hacía una medición para determinar la posición o el
estado de espín de las partículas obtenía un resultado bien definido, por ejemplo:
el electrón se encontraba exactamente en tal punto y no en otro. La medición
destruía la coherencia, de tal manera que uno nunca podía “cachar” a la partícula
en una superposición de estados coherentes. Hubo quien dijo que esta selección
del estado de la partícula al momento de observarla la efectuaba la mente del
observador. Dicho de otro modo, ¡que la psique afectaba el comportamiento de la
materia! Peor aún, las partículas, al parecer, tenían voluntad propia. Un electrón
lanzado contra una pared con dos rendijas podía decidir por sí solo —sin que
mediara ninguna causa— por cuál de las dos rendijas pasar, y si nadie lo
observaba pasaba por las dos al mismo tiempo e interfería consigo mismo como si
fuera una onda. ¡Qué horror!
Quizá una de las peculiaridades de la mecánica cuántica que más preocupaban a
Einstein era que las propiedades físicas de dos partículas que alguna vez
estuvieron cerca una de la otra permanecían relacionadas aunque las partículas
se separaran. Por ejemplo, aunque las partículas se vayan a extremos opuestos
del Universo, cada una de ellas reaccionará instantáneamente a cambios
producidos en la otra, como si estuvieran conectadas por una especie de telepatía
cuántica que les permitiera intercambiar información a velocidad infinita. Este
fenómeno, conocido como no localidad, contradice la teoría de la relatividad, que
dice, entre otras cosas, que nada puede viajar más rápido que la luz, y mucho
menos a velocidades infinitas.
El gato de Schrödinger
Einstein no era el único que estaba dispuesto a considerar un cambio drástico de
profesión por culpa de la mecánica cuántica. Otro inconforme era Erwin
Schrödinger, quien también era uno de sus creadores. En 1935 Schrödinger atacó
el problema de la coherencia y para ilustrarlo ideó un “experimento pensado”,
conocido como “la paradoja del gato”. Un experimento pensado es un
razonamiento físico escueto que ayuda a aclarar ideas sin necesidad de ponerse
en práctica. El experimento pensado del gato de Schrödinger consiste en meter un
gato en una caja provista de una muestra de átomos radiactivos. Los átomos
radiactivos tienen núcleos inestables que pierden partículas. Cuando esto ocurre
decimos que se ha producido una desintegración radiactiva. La caja tiene,
asimismo, un dispositivo que mata al animal si se produce una desintegración en
la muestra de átomos. La parte cuántica del aparato gaticida son los átomos
radiactivos, los cuales se escogen de tal manera que tengan una probabilidad de
50% de producir una desintegración en el lapso de una hora (esto es para
simplificar el argumento y no importa si de veras existen tales átomos; eso es lo
bueno de los experimentos pensados). De acuerdo con la mecánica cuántica, al
cabo de una hora la muestra radiactiva se encontrará en un estado indefinido que
es superposición coherente de los dos estados posibles: (1) se produjo la
desintegración; (2) no se produjo la desintegración.
Los caprichos de la mecánica cuántica
Algunas peculiaridades de la mecánica cuántica
Antes de efectuar mediciones sobre
ellos, los objetos cuánticos están en
Coherencia
todos sus estados posibles, aunque
sean estados contradictorios desde el
punto de vista de la física clásica.
Al efectuar una medición sobre el
sistema cuántico, el estado de éste se
Efecto de la medición
reduce instantáneamente a uno solo de
sus estados posibles (la medición
destruye la coherencia).
Los fenómenos cuánticos
fundamentales ocurren sin que medie
Acausalidad
causa alguna (por ejemplo, la selección
de un estado específico entre varios
posibles al efectuarse la medición).
Dos o más partículas que hayan
interactuado en el pasado pueden
No localidad
intercambiar información
instantáneamente aunque las separen
grandes distancias.
Quizá no parezca tan extraño que unos átomos —que a fin de cuentas son unas
cosas que ni siquiera podemos ver— se encuentren en dos estados a la vez. El
problema es que la descripción cuántica se puede extender al gato, cuyos dos
estados posibles al cabo de una hora son: (1) el gato está vivo; (2) el gato está
muerto. La mecánica cuántica dice que, antes de abrir la caja para comprobar la
situación del pobre animal, su estado es una superposición coherente de (1) y (2);
es decir, el gato está a la vez vivo y muerto. ¡Qué incómodo!
Felinos experimentales
El argumento original de Schrödinger estaba encaminado a criticar la llamada
interpretación ortodoxa o de Copenhague de la mecánica cuántica. Según ésta, la
mecánica cuántica es la teoría más completa posible del comportamiento del
mundo submicroscópico a pesar de los muchos huecos que los escépticos
perciben en su estructura. Por ejemplo, ¿qué determina por cuál rendija pasará el
electrón, o en qué momento se producirá una desintegración radiactiva? La
mecánica cuántica no es capaz de decirlo. Pero en los últimos años la discusión
ha pasado del ámbito especulativo de los experimentos pensados a los
experimentos reales. Por supuesto, nadie está pensando en someter gatos de
verdad a torturas cuánticas. Los físicos de hoy llaman gato de Schrödinger a
cualquier montaje experimental en que un objeto macroscópico (por ejemplo, un
campo electromagnético) esté acoplado a un sistema cuántico (digamos, un átomo
que atraviesa la región del campo electromagnético) de tal manera que pueda
entrar en una superposición de estados coherentes. Los distintos gatos de
Schrödinger que han ideado los físicos sirven para dar respuesta a la pregunta:
¿cómo se pasa del extraño mundo de la física cuántica al mundo cotidiano la física
clásica? Es como preguntar ¿cómo se va del país de las maravillas al mundo
cotidiano? y, a diferencia de lo que le ocurre a Alicia, en la física no basta
despertar de un sueño.
En diciembre de 1996 un grupo de investigadores franceses construyó un gato de
Schrödinger usando un campo electromagnético atrapado en una cavidad
resonante (como, digamos, el que se forma dentro de un horno de microondas al
recalentar una pizza). Haciendo pasar por la cavidad un átomo que se encontraba
en una superposición de dos estados de energía, el equipo logró que el campo
electromagnético vibrara de dos maneras distintas a la vez, o sea, que entrara en
una superposición coherente de dos estados de oscilación. Los investigadores
afirman haber podido estudiar cómo se produce la destrucción de la coherencia
cuántica. Si sus afirmaciones son ciertas, han atrapado al gato de Schrödinger con
las manos en la masa en el preciso instante en que decidía si estar vivo o muerto.
Otro equipo de investigadores afirma haber observado un átomo individual en dos
posiciones al mismo tiempo. Los dos estados de posición estaban separados 80
nanómetros (0.00000008 metros), una distancia pequeña, si se quiere, pero
enorme comparada con el tamaño de los átomos.
¿Podemos regresar del país de las maravillas?
Pero antes otra pregunta: ¿para qué querríamos regresar? El problema es claro: la
física tiene que explicar por qué la materia se comporta de manera cuántica unas
veces y clásica otras, y en qué circunstancias ocurre cada uno. Hace más de
setenta años que algunos físicos no dormimos tranquilos debido a esta incómoda
dualidad. Algunos objetos se comportan cuánticamente; otros no. ¿Dónde y cómo
ocurre la transición cuántico-clásica? Para explicar la destrucción de la coherencia
y tender un primer puente entre el comportamiento cuántico y el clásico, W. Zurek,
del Laboratorio Nacional Los Álamos, en Estados Unidos, ha propuesto un
mecanismo al que llama “decoherencia”. En esta teoría no hace falta una persona
para efectuar las mediciones que destruyen la superposición de estados
coherentes de un sistema cuántico. Zurek opina que la interacción del sistema con
su entorno basta para seleccionar un solo estado entre todos los posibles. Con
esta hipótesis, explica por qué los objetos macroscópicos por lo general no se
comportan cuánticamente: a temperaturas normales (300 kelvin) y en masas
macroscópicas (digamos, de 1 gramo para arriba), la coherencia se pierde en un
lapso brevísimo (de menos de ABC segundos). Un gato de verdad no puede estar
en una superposición de estados coherentes el tiempo suficiente para que lo
notemos.
El problema con la teoría de la decoherencia es que, si bien explica por qué los
objetos que se comportan clásicamente no pueden entrar en superposiciones
coherentes, no proporciona mecanismos de selección que determinen en cuál de
todos sus estados posibles queda el objeto después de la interacción con el
entorno. El gato de Schrödinger se guarda sus secretos.
La sonrisa del gato
Mientras tanto los físicos han empezado a encontrar aplicaciones para las
superposiciones cuánticas. Unas son plausibles, como un gato sin sonrisa; otras
descabelladas, como una sonrisa sin gato. Entre las primeras se cuenta la
posibilidad de usar la mecánica cuántica para proteger mensajes transmitidos por
fibras ópticas. Este método de criptografía cuántica ya se ha puesto a prueba y, al
parecer, da resultado. También se está estudiando la manera de usar átomos
individuales en superposiciones coherentes para almacenar y manipular
información controlando sus propiedades cuánticas por medio de ráfagas de luz
láser. Según los proponentes de la nueva disciplina conocida como computación
cuántica, esto podría permitir obtener memorias y procesadores de computadora
del tamaño de un átomo. Pero la aplicación más digna del país de las maravillas
es la teletransportación cuántica. Al decir de algunos investigadores, la extraña
propiedad llamada no localidad podría permitirnos transmitir información
instantáneamente a cualquier distancia. Imaginemos las posibilidades: podríamos
ir a tomar el té con el sombrerero loco aunque viviera en la galaxia de Andrómeda
—a 2 millones de años-luz— y estar de regreso a tiempo para la cena.
Es hora de ponerle punto final a este artículo antes de que nos lleve de regreso al
país de las maravillas. Por el momento, la explotación práctica de las propiedades
más inquietantes de la mecánica cuántica sigue siendo fantasía, como el sueño de
una niña que duerme al pie de un árbol.
Glosario
Mecánica cuántica.- Rama de la física que estudia el comportamiento de la
materia en la escala de los átomos, los electrones, los fotones y otras partículas
submicroscópicas. // Física cuántica.
Peculiaridad.- Propio o privativo de cada persona o cosa. //
Ortodoxo.- Conforme con la doctrina fundamental de cualquier secta o sistema. //
Conforme con el dogma de una religión.
Sergio de Régules. “El gato de Schördinger La física en el país de las maravillas”,
en Revista ¿Cómo ves?, http://www.comoves.unam.mx/bottom.htm, lunes 6 de
agosto de 2007
2,227 palabras
No toda la materia se comporta de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica.
Después de la creación de la teoría de la mecánica cuántica, obra de Albert
Einstein y Max Born, los físicos comenzaron a teorizar sobre el comportamiento de
las partículas submicroscópicas y sus peculiaridades.
En 1935, a través de un experimento pensado, conocido como “la paradoja del
gato”, Erwin Schröedinger criticó la posición ortodoxa de la mecánica cuántica
porque la consideraba incompleta o deficiente a la hora de explicar algunos
hechos, como la superposición coherente.
Los aspectos más peculiares de la mecánica cuántica son la coherencia, el efecto
de la medición, la acausalidad y la no localidad.
Hacia 1996, distintos grupos de investigadores afirmaron que tras experimentar,
lograron comprobar y explicar algunos de los fenómenos de la mecánica cuántica.
Para resolver las limitaciones de la mecánica cuántica y “tender un puente entre el
comportamiento cuántico y clásico de la materia”, W. Zurek desarrolló la teoría de
la decoherencia, que dicta que la interacción de un sistema con su entorno basta
para elegir un solo estado entre todos los posibles; pero esta teoría también está
incompleta.
En el futuro, al entender mejor la mecánica cuántica y poder manipular la materia
submicroscópica, la aplicación de sus características especiales será de gran
beneficio para la humanidad.
La mecánica cuántica se puede aplicar para entender el comportamiento de las
partículas submicroscópicas, que no obedecen a la física clásica.