Imagínese que piensa que ha descubierto cómo funciona el universo, pero descubre que todo se rige por reglas que parecen desafiar el sentido común. Eso es exactamente lo que les ocurrió a los físicos a principios del siglo XX cuando empezaron a estudiar los átomos y la luz.
La física clásica trataba el mundo como una máquina predecible. Pero los experimentos echaron por tierra los supuestos y obligaron a los científicos a construir un marco totalmente nuevo: la mecánica cuántica. Sigue leyendo para descubrir la diferencia entre la física clásica y la mecánica cuántica y cómo la revolución reveló una realidad mucho más extraña de lo que nadie imaginaba.
Índice
Diferencia entre mecánica clásica y cuántica
En su libro ¿Qué es lo real?Adam Becker explica que, en los albores del siglo XX, los físicos creían haber trazado la estructura básica de la realidad. Pero los experimentos con átomos echaron por tierra sus suposiciones más fundamentales sobre el mundo. Becker explica que esto obligó a los físicos a desarrollar una rama completamente nueva de la física y una nueva matemática para describirla. Reveló que los componentes básicos de la naturaleza funcionan según reglas tan extrañas que parecen violar la lógica. Examinemos lo que los físicos creían saber sobre el mundo y cómo la mecánica cuántica echó por tierra esas ideas.
Lo que los físicos creían saber
Becker explica que la física clásica se basaba en suposiciones intuitivas sobre la realidad que explicaban con éxito el mundo observable. Los físicos consideraban que los átomos eran los componentes fundamentales de la materia, pequeñas esferas que se combinaban para crear compuestos químicos. En su opinión, cada átomo tenía una posición, velocidad y energía específicas que sólo cambiaban según las leyes de Newton. Descubrimientos posteriores revelaron que los átomos no son en realidad esferas sólidas, sino que están formados principalmente por espacio vacío, con electrones que orbitan alrededor de un núcleo denso que contiene protones cargados positivamente. Este "modelo planetario" sugería que los átomos funcionaban como sistemas solares en miniatura, obedeciendo las mismas leyes físicas que los planetas y las estrellas.
(Nota breve: El progreso en nuestra comprensión del átomo ilustra lo que los científicos entienden por "teoría", una explicación de las observaciones que reúne muchos hechos e hipótesis y que puede modificarse o abandonarse a medida que se pone a prueba con nuevas pruebas. Podemos ver esta progresión en la teoría atómica: Los antiguos griegos imaginaban los átomos como partículas indivisibles. John Dalton los imaginó como bolas sólidas de distintos pesos que se combinaban para formar compuestos. El modelo del "pudín de ciruelas" de J.J. Thomson los imaginaba como bolas de materia positiva con electrones negativos dispersos, como las pasas en el pudín. Después, los experimentos de Ernest Rutherford demostraron que los átomos están formados por un núcleo rodeado de electrones, de ahí el modelo planetario).
El modelo planetario de los átomos no era el único supuesto que la física clásica daba por sentado. Los físicos creían que la energía fluía continuamente, como el agua de un grifo: se podía tener cualquier cantidad de energía, desde mucha a poca o cualquier fracción intermedia. Distinguían entre ondas y partículas: Las ondas se propagan por el espacio e interfieren entre sí cuando se encuentran, mientras que las partículas siguen trayectorias definidas y chocan como objetos sólidos. Por último, los físicos suponían que todos los objetos tenían propiedades definidas, se observaran o no.
| Los supuestos de la física moderna Incluso hoy en día, la física se basa en creencias fundamentales sobre el universo, aunque reconoce que los supuestos previos -como los que enumera Becker- han sido derribados. Como explica Neil deGrasse Tyson en Astrofísica para gente con prisala ciencia moderna asume que las leyes físicas permanecen constantes en el espacio y el tiempo, de modo que las mismas reglas que rigen los átomos aquí en la Tierra también rigen las estrellas a miles de millones de años luz. Este supuesto de universalidad permite a los físicos hacer predicciones significativas sobre objetos distantes y acontecimientos pasados. Pero Tyson señala que construir la ciencia sobre suposiciones también exige aceptar que todo conocimiento científico es provisional y está sujeto a cambios a medida que surgen nuevas pruebas. Por ejemplo, las leyes de Newton parecían funcionar perfectamente durante siglos, hasta que Einstein demostró que se basaban en suposiciones infundadas que hacían que se vinieran abajo a velocidades y masas extremas. Incluso las teorías de Einstein podrían algún día necesitar una revisión. Esto revela algo incómodo sobre la ciencia: Las teorías exitosas no son descubrimientos de la verdad absoluta, sino nuestras mejores descripciones actuales de los patrones que observamos. Cuando decimos que "la energía fluye continuamente", no podemos afirmar que hayamos descubierto su verdadera esencia: Estamos describiendo cómo parece comportarse la energía. Nuestras teorías organizan y predicen nuestras experiencias, pero siguen siendo construcciones humanas y no vislumbres directos de la realidad. |
Lo que revela la mecánica cuántica
En aquella época, la física estaba a punto de cambiar de paradigma: Becker explica que los experimentos con átomos y luz revelaron un mundo microscópico en el que la energía viene en trozos discretos en lugar de fluir suavemente, en el que la materia y la luz presentan propiedades de ondas y partículas simultáneamente, y en el que los electrones sólo pueden ocupar niveles de energía específicos en lugar de cualquier valor de energía arbitrario. Cuando los físicos desarrollaron nuevas matemáticas para explicar estas observaciones, descubrieron que las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez e influirse mutuamente a grandes distancias, fenómenos que parecen contradecir la experiencia cotidiana.
(Nota breve: Becker describe la mecánica cuántica como un "cambio de paradigma", término acuñado por Thomas Kuhn para explicar cómo progresa la ciencia. Un "paradigma" es un marco de suposiciones, métodos y valores que orientan la forma en que los científicos abordan los problemas. Kuhn escribió en La estructura de las revoluciones científicas que la "ciencia normal" se produce a medida que los investigadores acumulan hechos y resuelven enigmas dentro de un paradigma establecido. Pero cuando encuentran demasiadas anomalías que el paradigma actual no puede explicar, tienen que adoptar un nuevo paradigma para explicar mejor sus observaciones. Kuhn demostró que el "progreso" científico no siempre es lineal: A veces, avanzar exige abandonar lo que creíamos saber).
La energía viene en paquetes llamados "cuantos"
Según Becker, el primer supuesto de la física clásica que cayó fue el de la continuidad de la energía. En 1900, el físico alemán Max Planck abordó un problema práctico: mejorar las bombillas estudiando cómo emitían luz los objetos calentados. Todo el mundo conocía el patrón: Un atizador en la chimenea se pone negro, luego rojo, luego naranja, luego blanco. La física clásica predecía que los objetos calientes emitían todos los colores de la luz por igual, lo que hacía que la luz pareciera blanca a cualquier temperatura. Planck descubrió que sólo podía explicar las observaciones del mundo real abandonando la hipótesis de continuidad y sustituyéndola por una nueva: La energía viene en paquetes indivisibles, que Planck denominó "cuantos", como monedas que no pueden dividirse en denominaciones más pequeñas.
Según Becker, la idea clave de Planck era que los distintos colores de la luz requieren paquetes de energía de distinto tamaño. La luz de mayor frecuencia (como la azul) requiere paquetes de energía mayores que la luz de menor frecuencia (como la roja). Esto explicaba la progresión del color del póquer: A bajas temperaturas, los objetos calentados carecen de la energía necesaria para crear los grandes paquetes que requieren los colores de mayor frecuencia, por lo que emiten luz roja y naranja. A medida que aumenta la temperatura, se dispone de más energía, lo que desplaza el resplandor hacia el blanco. Albert Einstein amplió esta idea en 1905, demostrando que la propia luz viaja en paquetes discretos y cuantizados llamados "fotones".
| El universo pixelado: Qué significa realmente "cuantizado" ¿Qué significa realmente que la energía esté "cuantizada"? Piensa en la pantalla de tu smartphone: Desde lejos, las imágenes parecen lisas, pero si te acercas lo suficiente verás los píxeles que las componen. La física cuántica sugiere que la energía funciona del mismo modo. La luz, que es una forma de energía, sólo puede venir en fotones enteros: no puedes tener medio fotón, igual que no puedes tener medio píxel. Imagina a un personaje de videojuego lanzando un hechizo: La luz que sale de su varita está formada por píxeles individuales en la pantalla, cada uno de ellos encendido o apagado, nunca a media luz. En el mundo real, la luz funciona de forma similar. Los átomos sólo pueden emitir fotones enteros, por eso los objetos calientes brillan en patrones de color específicos y no en todas las tonalidades posibles. Pero, si la energía y la luz están esencialmente pixeladas, algunos científicos se preguntan: ¿Y si el espacio y el tiempo también están hechos de píxeles? Eso significaría que hay una distancia mínima posible entre dos partículas cualesquiera, del mismo modo que los personajes de los videojuegos sólo ocupan posiciones específicas, y una unidad mínima de tiempo. Los objetos no podrían existir a menos de un "píxel espacial" de distancia, y los acontecimientos no podrían ocurrir a menos de un "píxel temporal" de distancia. Estos píxeles serían millones de veces más pequeños que los átomos, pero los científicos están realizando experimentos para averiguar si existen. |
La materia y la luz se comportan como ondas y como partículas
La siguiente en caer fue la distinción clásica entre ondas y partículas. Los físicos descubrieron que la luz y la materia presentan propiedades de onda y de partícula al mismo tiempo, dependiendo de cómo se observen. Becker explica cómo lo demuestra el experimento de la doble rendija: Cuando los físicos disparan electrones individuales hacia una barrera con dos rendijas paralelas, la física clásica predice que los electrones deberían comportarse como partículas diminutas, pasando por una rendija o por la otra y creando dos bandas distintas en una pantalla de detección. En cambio, ocurre algo aparentemente imposible: Los electrones crean patrones de interferencia, alternando bandas brillantes y oscuras con la forma de los patrones creados por las ondas cuando se superponen, como las de un estanque.
La única explicación es que cada electrón viaja de algún modo a través de ambas rendijas simultáneamente e interfiere consigo mismo al otro lado. Pero, como señala Becker, el misterio se profundiza: Si los físicos colocan detectores en las rendijas para saber qué camino sigue cada electrón, el patrón de ondas desaparece. Los electrones se comportan como partículas ordinarias, cada una de las cuales viaja exactamente por una rendija. El acto de observación cambia el comportamiento del electrón de ondulatorio a particulado, lo que demuestra que los componentes básicos del universo no son ni ondas ni partículas, sino algo que presenta aspectos de ambas categorías.
| ¿Qué significa realmente la dualidad onda-partícula y la probabilidad cuántica? El experimento de la doble rendija revela por qué la mecánica cuántica debe basarse en la probabilidad, es decir, enla probabilidad matemática de que se produzca un resultado concreto. Cuando disparamos electrones a dos rendijas, podemos predecir exactamente cómo será el patrón general de interferencia, pero no podemos predecir dónde caerá cada electrón. Esto supone un cambio con respecto a la física clásica, en la que el conocimiento teórico de las condiciones iniciales de un sistema permite predecir su comportamiento exacto. Entonces, ¿por qué la mecánica cuántica requiere probabilidad? Hay tres posibilidades muy diferentes. En primer lugar, podemos ver la probabilidad como resultado de nuestra ignorancia: Quizá cada electrón viaja a través de una rendija, siguiendo una trayectoria que no podemos seguir, por lo que la probabilidad refleja nuestro conocimiento incompleto. En segundo lugar, la probabilidad podría reflejar que la naturaleza es aleatoria: Tal vez el electrón viaje por ambas rendijas hasta que la medición le obligue a "elegir" al azar. En tercer lugar, la probabilidad podría ser necesaria si existen realidades múltiples: Tal vez ocurran ambos resultados, pero en universos separados, y la probabilidad represente en cuál te encontrarás. Como veremos, la respuesta a esta pregunta es clave para el debate sobre lo que dice la mecánica cuántica sobre la realidad. |
Las partículas sólo pueden ocupar determinados estados energéticos
La física clásica predecía que los electrones debían orbitar los núcleos como planetas alrededor del sol, ocupando cualquier órbita posible y girando gradualmente en espiral hacia el interior mientras irradiaban energía. Esta energía sería detectable como un arco iris continuo de colores a medida que los electrones se desplazaran por todas las posiciones posibles. Pero Becker explica que, cuando los físicos calentaron distintos elementos para examinar la luz que producían, descubrieron algo inesperado: Cada elemento produce sólo colores específicos con límites nítidos entre ellos. El sodio siempre produce luz amarilla, el hidrógeno emite distintas longitudes de onda de color rojo y todos los demás elementos tienen sus propios colores.
El físico danés Niels Bohr resolvió este enigma en 1913 al proponer que los electrones sólo pueden ocupar niveles de energía específicos alrededor del núcleo atómico, comouna escalera en la que los electrones pueden situarse en determinados peldaños pero nunca en los espacios intermedios. Cuando los electrones saltan entre niveles, emiten o absorben luz con una energía exactamente igual a la diferencia de escalón, lo que explica por qué cada elemento produce colores característicos. Como explica Becker, este principio se aplica universalmente: Las moléculas vibrantes, los núcleos giratorios y todos los sistemas a escala atómica sólo existen en estados discretos determinados por las matemáticas cuánticas. De este modo, el mundo liso y continuo de la física clásica queda completamente destruido a nivel microscópico.
| Por qué los electrones no pueden ir a cualquier parte: La solución de la onda estacionaria ¿Por qué no pueden existir electrones entre los peldaños de la escalera de Bohr? La respuesta requiere un cambio de mentalidad: Los electrones no son partículas diminutas, sino "ondas estacionarias" que deben encajar perfectamente dentro del átomo. Las ondas estacionarias son patrones que vibran en un lugar en lugar de desplazarse. Piense en una cuerda de guitarra: Al pulsarla, sólo ciertas longitudes de onda pueden formar vibraciones estables que se ajusten a la longitud de la cuerda. Si una onda no encaja, se anula por interferencia. Los electrones funcionan de la misma manera, salvo que el propio electrón es el patrón de onda. Al igual que sólo pueden existir determinadas ondas en una cuerda de guitarra, sólo pueden existir determinadas "ondas" de electrones alrededor de un núcleo atómico. Cada patrón estable corresponde a un nivel de energía. Así, cuando un electrón "cae" de un nivel de energía más alto a otro más bajo, el patrón de onda del electrón se reorganiza de una forma estable a otra. Cuando esto ocurre, la diferencia de energía se libera en forma de fotón. Entender los electrones como ondas no es sólo una cómoda descripción matemática: El físico de partículas Matt Strassler (Ondas en un mar imposible) explica que los electrones son en realidad ondas. Esto podría parecer contradictorio con la dualidad onda-partícula, pero Strassler sugiere que deberíamos pensar en los electrones como "wavicles": Son fundamentalmente ondulatorios (se extienden, vibran) pero vienen en unidades indivisibles, que es lo que hace que parezcan partículas. |
Las matemáticas revelan la superposición y el entrelazamiento
Estos descubrimientos experimentales exigían herramientas matemáticas totalmente nuevas. Becker escribe que, entre 1925 y 1926, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger desarrollaron independientemente marcos para describir la realidad cuántica. La "mecánica matricial" de Heisenberg utilizaba matrices numéricas abstractas allí donde fallaban las reglas aritméticas normales, mientras que la "mecánica ondulatoria" de Schrödinger trataba las partículas como ondas gobernadas por ecuaciones precisas. La conexión de estos enfoques demostró que las funciones de onda representan las probabilidades de que las partículas aparezcan en diferentes estados, lo que significa que la mecánica cuántica sólo podía predecir probabilidades, nunca resultados definitivos.
| Dos formas de describir la misma realidad Estos enfoques describen la misma realidad de dos maneras diferentes. Heisenberg utilizó matrices: tablas de números que representan propiedades como la posición o el momento de una partícula. En matemáticas normales, 3 x 2 es igual a 2 x 3, pero en las matrices cuánticas, cambiar el orden de la multiplicación cambia los resultados. Por su parte, Schrödinger utilizaba funciones: fórmulas que dan una salida por cada entrada. Con las funciones de onda de Schrödinger, se puede introducir cualquier lugar y obtener la probabilidad de encontrar la partícula allí. Estas probabilidades se propagan por el espacio como ondas, donde los picos indican los lugares donde es más probable encontrar la partícula. Durante décadas, los físicos supusieron que estos dos enfoques eran matemáticamente equivalentes. Pero análisis recientes sugieren que en realidad podrían utilizar reglas diferentes para conectar las matemáticas cuánticas con la física clásica, revelando complejidades no resueltas. |
Cuando Heisenberg y Schrödinger desarrollaron las matemáticas, las cosas se volvieron aún más extrañas. Becker explica que las matemáticas revelaron las características más extrañas de la realidad cuántica: la superposición y el entrelazamiento. La superposición significa que las partículas pueden existir en varios estados simultáneamente. El entrelazamiento crea conexiones entre partículas de modo que medir una afecta inmediatamente a su compañera, independientemente de lo lejos que estén, violando la regla de que nada viaja más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, Becker señala que las matemáticas de Heisenberg y Schrödinger podían predecir perfectamente los resultados experimentales. Esto creó una crisis: Si las matemáticas funcionan tan bien, ¿qué nos dicen sobre la naturaleza de la realidad?
(Nota breve: la superposición y el entrelazamiento están más relacionados de lo que parece a primera vista; la investigación demuestra que estos comportamientos cuánticos siempre van juntos. He aquí por qué: El entrelazamiento es esencialmente la superposición de múltiples partículas. Cuando las partículas se entrelazan, todo el sistema existe en una superposición de diferentes estados combinados, como dos monedas que de alguna manera son "cara-cara" y "cruz-cola" al mismo tiempo hasta que alguien mira. Se puede pensar en las partículas entrelazadas como si fueran gemelas que comparten el mismo destino por muy alejadas que estén. Esta conexión es tan fundamental que cualquier teoría que permita a las partículas existir en múltiples estados simultáneamente creará automáticamente estas correlaciones entre partículas separadas).
Más información sobre física clásica y cuántica
Para entender mejor la transición de la física clásica a la mecánica cuántica, consulte la guía de Shortform sobre el libro ¿Qué es real? de Adam Becker.
