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Las cuatro claves fundamentales que necesitas para comprender la física cuántica
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la teoría que rige el micromundo

Las cuatro claves fundamentales que necesitas para comprender la física cuántica

Dos investigadores, expertos en mecánica cuántica, nos aclaran los entresijos de esta rama de la física que es tan fascinante como difícil de comprender

Foto: La mecánica cuántica es la teoría que rige el micromundo de los átomos y las partículas. (Pixabay)
La mecánica cuántica es la teoría que rige el micromundo de los átomos y las partículas. (Pixabay)

La mecánica cuántica, la teoría que rige el micromundo de los átomos y las partículas, es sin duda muy llamativa. A diferencia de muchas otras áreas de la física, es extraña y contraintuitiva, lo que la hace deslumbrante e intrigante. Cuando se concedió el premio Nobel de Física de 2022 a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger por sus investigaciones sobre la mecánica cuántica, se desató el entusiasmo y el debate.

Pero los debates sobre la mecánica cuántica —ya sea en los foros de chat, en los medios de comunicación o en la ciencia ficción— a menudo se confunden gracias a una serie de mitos y conceptos erróneos persistentes.

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Aquí tienes cuatro:​

1. Un gato puede estar vivo y muerto

Probablemente, Erwin Schrödinger nunca hubiera podido predecir que su experimento mental, el gato de Schrödinger, alcanzaría el estatus de meme de Internet en el siglo XXI. Sugiere que un felino desafortunado metido en una caja con un interruptor de apagado activado por un evento cuántico aleatorio —la desintegración radiactiva, por ejemplo— podría estar vivo y muerto al mismo tiempo, siempre que no abramos la caja para comprobarlo.

Hace tiempo que sabemos que las partículas cuánticas pueden estar en dos estados —por ejemplo, en dos lugares— al mismo tiempo. A esto lo llamamos superposición. Los científicos han podido demostrarlo en el famoso experimento de la doble rendija, en el que una sola partícula cuántica, como un fotón o un electrón, puede atravesar simultáneamente dos rendijas diferentes en una pared. ¿Cómo lo sabemos?

En la física cuántica, el estado de cada partícula es también una onda. Pero cuando enviamos un flujo de fotones —uno por uno— a través de las rendijas, se crea un patrón de dos ondas que interfieren entre sí en una pantalla detrás de la rendija. Como cada fotón no tenía ningún otro fotón con el que interferir cuando pasaba por las rendijas, significa que debe haber pasado simultáneamente por ambas rendijas, interfiriendo consigo mismo.

Sin embargo, para que esto funcione, los estados (ondas) en la superposición de la partícula que atraviesa ambas rendijas deben ser 'coherentes', es decir, tener una relación bien definida entre sí.

Estos experimentos de superposición pueden realizarse con objetos de tamaño y complejidad cada vez mayores. Un famoso experimento realizado por Anton Zeilinger en 1999 demostró la superposición cuántica con grandes moléculas de carbono-60 conocidas como "buckyballs".

¿Qué significa esto para nuestro pobre gato? ¿Está realmente vivo y muerto a la vez mientras no abramos la caja? Obviamente, un gato no se parece en nada a un fotón individual en un entorno controlado de laboratorio, es mucho más grande y complejo. Cualquier coherencia que los trillones y trillones de átomos que componen el gato puedan tener entre sí es extremadamente efímera.

Esto no significa que la coherencia cuántica sea imposible en los sistemas biológicos, sólo que generalmente no se aplicará a criaturas grandes como los gatos o un humano.

2. Las analogías pueden explicar el entrelazamiento

El entrelazamiento es una propiedad cuántica que vincula dos partículas diferentes, de modo que si se mide una, se conoce automática e instantáneamente el estado de la otra, sin importar la distancia entre ellas.

Las explicaciones más comunes se refieren a objetos cotidianos de nuestro mundo macroscópico clásico, como dados, cartas o incluso pares de calcetines de colores impares. Por ejemplo, imagine que le dice a su amigo que ha colocado una carta azul en un sobre y una naranja en otro. Si su amigo coge y abre uno de los sobres y encuentra la carta azul, sabrá que usted tiene la carta naranja.

Pero para entender la mecánica cuántica, hay que imaginar que las dos cartas dentro de los sobres están en una superposición conjunta, lo que significa que son naranja y azul al mismo tiempo (concretamente, naranja/azul y azul/naranja). Al abrir uno de los sobres aparece un color determinado al azar. Sin embargo, al abrir el segundo siempre aparece el color opuesto porque está 'fantasmagóricamente' ligado a la primera carta.

Se podría forzar la aparición de las cartas en un conjunto diferente de colores, como si se hiciera otro tipo de medición. Podríamos abrir un sobre con la pregunta "¿Eres una tarjeta verde o roja?". La respuesta volvería a ser aleatoria: verde o roja. Pero, sobre todo, si las tarjetas estuvieran entrelazadas, la otra tarjeta seguiría dando siempre el resultado contrario cuando se le hiciera la misma pregunta.

Albert Einstein trató de explicar esto con la intuición clásica, sugiriendo que las cartas podrían estar provistas de un conjunto de instrucciones internas ocultas que les decían de qué color debían aparecer ante una determinada pregunta. También rechazó la aparente "acción fantasmagórica" entre las cartas que aparentemente les permite influirse mutuamente de forma instantánea, lo que significaría una comunicación más rápida que la velocidad de la luz, algo prohibido por las teorías de Einstein.

Sin embargo, la explicación de Einstein fue posteriormente descartada por el teorema de Bell (una prueba teórica creada por el físico John Stewart Bell) y los experimentos de los premios Nobel de 2022. La idea de que medir una carta entrelazada cambia el estado de la otra no es cierta. Las partículas cuánticas sólo están misteriosamente correlacionadas de formas que no podemos describir con la lógica o el lenguaje cotidianos: no se comunican a la vez que contienen un código oculto, como pensaba Einstein. Así que olvídese de los objetos cotidianos cuando piense en el entrelazamiento.

3. La naturaleza 'es irreal' y 'no local'

A menudo se dice que el teorema de Bell demuestra que la naturaleza no es "local", que un objeto no está directamente influenciado por su entorno inmediato. Otra interpretación común es que implica que las propiedades de los objetos cuánticos no son "reales", que no existen antes de la medición.

placeholder Albert Einstein montando en bicicleta.
Albert Einstein montando en bicicleta.

Pero el teorema de Bell sólo nos permite decir que la física cuántica significa que la naturaleza no es real ni local si asumimos algunas otras cosas al mismo tiempo. Estas suposiciones incluyen la idea de que las mediciones sólo tienen un único resultado (y no múltiples, tal vez en mundos paralelos), que la causa y el efecto fluyen hacia adelante en el tiempo y que no vivimos en un 'universo de relojería' en el que todo está predeterminado desde los albores del tiempo.

A pesar del teorema de Bell, la naturaleza bien podría ser real y local, si se permitiera romper algunas otras cosas que consideramos de sentido común, como que el tiempo avanza. Y es de esperar que nuevas investigaciones reduzcan el gran número de posibles interpretaciones de la mecánica cuántica. Sin embargo, la mayoría de las opciones sobre la mesa -por ejemplo, que el tiempo fluya hacia atrás, o la ausencia de libre albedrío- son al menos tan absurdas como renunciar al concepto de realidad local.

4. Nadie entiende la mecánica cuántica

Una cita clásica (atribuida al físico Richard Feynman, pero en esta forma también parafraseando a Niels Bohr) conjetura: "Si crees que entiendes la mecánica cuántica, no la entiendes".

Esta opinión está muy extendida en la opinión pública. La física cuántica es supuestamente imposible de entender, incluso por los físicos. Pero desde la perspectiva del siglo XXI, la física cuántica no es ni matemática ni conceptualmente especialmente difícil para los científicos. La entendemos muy bien, hasta el punto de que podemos predecir fenómenos cuánticos con gran precisión, simular sistemas cuánticos muy complejos e incluso empezar a construir ordenadores cuánticos.

placeholder El premio Nobel de física, Richard Feynman.
El premio Nobel de física, Richard Feynman.

La superposición y el entrelazamiento, cuando se explican en el lenguaje de la información cuántica, no requieren más que matemáticas de bachillerato. El teorema de Bell no requiere nada de física cuántica. Puede derivarse en unas pocas líneas utilizando la teoría de la probabilidad y el álgebra lineal. La verdadera dificultad radica, quizás, en cómo conciliar la física cuántica con nuestra realidad intuitiva. No tener todas las respuestas no nos impedirá seguir avanzando con la tecnología cuántica. Podemos simplemente callar y calcular.

Afortunadamente para la humanidad, los ganadores del Nobel Aspect, Clauser y Zeilinger se negaron a callar y siguieron preguntando. Otros como ellos pueden ayudar algún día a reconciliar la rareza cuántica con nuestra experiencia de la realidad.

Alessandro Fedrizzi y Mehul Malik son profesores de la Universidad Heriot-Wattes, en Edimburgo, Escocia, y son expertos en el campo de la óptica y la computación cuántica.

Este artículo ha sido traducido y publicado en Novaceno con licencia Creative Commons. Puede leer el artículo original aquí.

La mecánica cuántica, la teoría que rige el micromundo de los átomos y las partículas, es sin duda muy llamativa. A diferencia de muchas otras áreas de la física, es extraña y contraintuitiva, lo que la hace deslumbrante e intrigante. Cuando se concedió el premio Nobel de Física de 2022 a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger por sus investigaciones sobre la mecánica cuántica, se desató el entusiasmo y el debate.

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