BLOGS
Ciencia para llevar Ciencia para llevar

CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

Entradas etiquetadas como ‘Fisica cuántica’

¿Es posible el suicidio cuántico?

Por Mar Gulis (CSIC)

Revólver de 6 balas/ Simon Poter vía Flickr

Revólver de 6 balas. / Simon Poter vía Flickr.

La inmortalidad ha sido siempre una de las metas científicas más investigadas y una fuente de innumerables leyendas y mitos. A pesar de los descubrimientos en genética sobre el envejecimiento o del progreso de la computación cuántica –que según ciertas hipótesis podría ayudar a transferir nuestra mente a un ordenador y adquirir así existencia eterna–, la muerte sigue siendo una barrera para el ser humano. Esto que podría parecer una verdad universal no lo es si asumimos determinadas interpretaciones de la física cuántica. En este caso, lo imposible no es escapar de la muerte sino, al contrario, dejar de existir por completo en un universo cuántico.

La física cuántica ha generado varias de las paradojas más famosas de la historia, como la paradoja del viajero en el tiempo, según la cual una persona no podría viajar atrás en el tiempo y matar a su abuelo ya que eso impediría el propio viaje. O la paradoja del gato de Schrödinger, en la que un gato dentro de una caja con un veneno radiactivo provoca la existencia compartida de dos universos en los que el gato está a la vez muerto y vivo. Toda la mitología y las diferentes variantes de estas dos teorías han dado lugar a extensos y longevos debates sobre física. La que traemos hoy a este blog también tiene su miga para el debate.

La teoría del llamado suicidio cuántico, no muy conocida pero planteada en términos similares a las anteriores, vendría a ser una versión del gato de Schrödinger pero aplicada a la teoría de los universos paralelos o multiverso, desarrollada por el físico estadounidense Hugh Everett. El multiverso estaría formado por todos los universos paralelos creados cada vez que una persona toma una decisión, de lo que se deduce un número de universos paralelos infinito coexistiendo al mismo tiempo en realidades diferentes.

La hipótesis del suicidio cuántico, planteada por el físico teórico sueco Max Tegmark en el año 1997, podría resumirse de la siguiente manera: un individuo está sentado en una silla con un revólver cargado apuntando a su cabeza. El arma es controlada por una máquina que mide la rotación de una partícula subatómica. Cada vez que el sujeto aprieta el gatillo el revólver se accionará dependiendo del sentido en el que rota la partícula: si gira en sentido de las agujas del reloj, el arma dispara; si gira en sentido contrario, falla. Esto hace que en cada disparo el universo se divida en dos: uno en el que el sujeto muere y otro en el que vive para seguir disparando. Así, si el sujeto aprieta el gatillo seis veces consecutivas, se  habrán generado seis universos en los que muere –uno por disparo– y uno en el que sobrevive –el universo en el que el arma falló las seis veces–. La cuestión es que, por más que el sujeto siga disparando, siempre habrá un universo en el que sobrevivirá –al menos  no morirá por un disparo de bala–. Por lo tanto, el suicidio, a nivel cuántico jamás llegaría a ser total debido a la existencia de nuestra ‘versión alternativa’ inmortal.

Billete de lotería nacional/ Álvaro Ibañez vía Flickr

Billete de lotería nacional. / Álvaro Ibañez vía Flickr.

Este mismo planteamiento tiene otra versión, algo más lúdica, en la que un sujeto compra un billete de lotería. Después, se conecta a un ordenador programado para que, en caso de que el billete no resulte premiado, este le inyecte una sustancia letal. La teoría de los universos paralelos explica que surgirán tantos universos paralelos como combinaciones de billete haya en nuestra lotería: si suponemos que nuestro cupón tiene cinco cifras, en total habrá 100.000 universos diferentes. Aunque en todos menos uno el sujeto recibirá la inyección, en ese uno el sujeto seguirá vivo y además será millonario. Desde este punto de vista, no solo la inmortalidad parece inevitable sino también la posibilidad de ganar una inmensa fortuna.

Estas paradojas son una forma de representar la contradicción entre la teoría del multiverso y la llamada interpretación de Copenhague. Mientras la primera establece que cada resultado posible de una decisión o acción da lugar a universos paralelos, la ortodoxia cuántica nos dice que una vez observado el resultado este colapsa en un solo universo. El sujeto, como el gato de Schrödinger, estará vivo y muerto a la vez solo hasta que otro sujeto compruebe si ha disparado o no.

¿Quién tiene razón? El físico del CSIC Salvador Miret, autor del libro Mecánica cuántica considera que el debate resulta casi imposible de zanjar: “el problema de la teoría del multiverso es que no es falsable, es decir, no puede ser sometida a una prueba que la confirme o desmienta”. En el planteamiento de Everett, prosigue Miret, “se quiere mantener la linealidad de la teoría cuántica incluso al realizar una medida, y el precio a pagar es la creación de universos paralelos”. Parece por tanto que para seguir avanzando en el conocimiento y en nuestra vida cotidiana la mejor idea sería conformarse con  las decisiones que tomamos y dejar el multiverso para nuestro alter ego inmortal.

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos: la doble rendija

Por Mar Gulis (CSIC)

En 2003 la revista Physics World preguntó a sus lectores cuál era en su opinión el experimento más bello de la historia de la física. Ganó el célebre experimento de la doble rendija, una prueba diseñada en 1801 para probar la naturaleza ondulatoria de la luz que no ha dejado de repetirse, en diversos formatos y con distintos objetivos, hasta la actualidad.

Láser difractado usando rendija doble. Foto tomada en el laboratorio de óptica de la facultad de ciencias de la UNAM. / Lienzocian (CC-BY-SA)

Láser difractado usando rendija doble. Foto tomada en el laboratorio de óptica de la facultad de ciencias de la UNAM. / Lienzocian (CC-BY-SA)

La fascinación que sigue produciendo este experimento tiene que ver con que, como dijo el físico Richard Feynmann (1918-1988), contiene en sí mismo el corazón y todo el misterio de la física cuántica, la disciplina que estudia el comportamiento de la materia a escala microscópica.

En el mundo cuántico –el de las partículas subatómicas como los electrones– las ‘cosas’ actúan de una forma muy distinta a como sucede en la escala macroscópica, en la que nos movemos los seres humanos. El experimento de la doble rendija pone de manifiesto dos características desconcertantes de ese mundo. La primera es que, a escala micro, los objetos físicos tienen una naturaleza dual: según las circunstancias, pueden comportarse como un conjunto de partículas o como una onda. Y la segunda consiste en que el hecho de observarlos hace que actúen de una manera o de otra.

Para entender algo más del mundo cuántico, vamos a presentar una formulación ideal del experimento prescindiendo de los detalles técnicos.

Situémonos primero en la escala macro, en nuestro mundo. Vamos a lanzar, una a una y en distintas direcciones, miles de canicas contra una placa atravesada por dos finas rendijas verticales. En otra placa más alejada vamos a recoger el impacto de las canicas. ¿Qué ‘dibujo’ habrá producido este impacto?

La respuesta es: dos franjas verticales, correspondientes a las canicas que han logrado atravesar la placa anterior a través de las ranuras.

Imprimir

Ahora, introduzcamos todos los elementos del experimento en una piscina llena de agua. Desde el mismo punto desde el que hemos lanzado las canicas comenzaremos a generar olas. Una vez que las olas atraviesen las dos ranuras y lleguen a la última placa, ¿dónde impactarán con más intensidad? ¿Qué ‘dibujo’ provocará ese impacto?

La respuesta es: una serie de franjas verticales de diferente intensidad que los físicos llaman “patrón de interferencia”. Este dibujo se produce porque el oleaje inicial, como cualquier onda, se difracta al atravesar las ranuras, dando lugar a dos oleajes que interfieren entre sí. En algunos puntos las olas se potencian y en otros se anulan, lo que provoca un impacto con desigual intensidad sobre la última placa.

Ondas

Pues bien, descendamos ahora al mundo cuántico y, en lugar de canicas, lancemos electrones uno a uno a través de la doble ranura. ¿Qué se ‘dibujará’ en la segunda placa? Con la lógica que utilizamos en el mundo macro, lo esperable es que el electrón, que es una partícula, impacte igual que una canica y dibuje dos franjas verticales.

Sin embargo, el resultado que obtenemos es… ¡un “patrón de interferencia”!

 

Dualidad onda-partícula

¿Cómo se entiende todo esto? En el libro Mecánica cuántica (CSIC-Catarata), el investigador del CSIC Salvador Miret ofrece algunas explicaciones.

La interpretación estándar nos dice que el electrón se lanza y se recoge como una partícula, pero se propaga como una onda. Es decir, que durante su recorrido el electrón está distribuido o superpuesto en toda el área que ocupa su onda, por lo que atraviesa las dos rendijas a la vez e interfiere consigo mismo hasta impactar contra la segunda placa. En ese momento, como consecuencia del impacto, el electrón vuelve adoptar la naturaleza de partícula –en términos más precisos diríamos que colapsa su función de onda– situándose en uno de los múltiples puntos atravesados por la onda. Al comenzar el experimento los electrones se distribuirán por la segunda placa de una forma aparentemente aleatoria, pero al incrementar el número de impactos veremos cómo va formándose el “patrón de interferencia”. Es decir, que la posibilidad de impactar en uno u otro punto está determinada por la onda. En este vídeo puede verse cómo se reproduce un patrón de interferencia en tiempo real, aunque no con electrones sino con moléculas de ftalocinanina:

Interpretaciones de la mecánica cuántica más recientes, como la propuesta por David Bohm (1917-1992), nos dirían que el electrón sigue una trayectoria (no se superpone en varios sitios a la vez) pero que esta está guiada por una onda. En este modelo las ondas son como corrientes de ríos que ‘transportan’ a las partículas: las primeras trazan los numerosos caminos que pueden seguir las segundas pero cada partícula recorre solo uno de ellos. En cualquier caso, esta interpretación no cuestiona la naturaleza dual del mundo cuántico: no podemos considerar las partículas como independientes de su onda.

 

La importancia del observador

Sin embargo, esta es solo una de las aportaciones de nuestro experimento. ¿Qué pasa cuando colocamos un detector para averiguar por qué rendija pasa nuestro electrón?

Pues que el “patrón de interferencia” desaparece y los electrones impactan en la segunda placa como si fuesen canicas. Es decir, que al tratar de observar el sistema, hemos actuado sobre él, obligando a nuestro electrón a comportarse como una partícula. Los fotones que hemos enviado para detectarlo han interaccionado con él y alterado el resultado del experimento.

Evidencias como estas llevaron a Niels Bohr (1885-1962), uno de los ‘padres’ de la mecánica cuántica, a decir, en los años 20 del siglo pasado, que ya no somos meramente observadores de lo que medimos sino también actores. De repente, una ciencia dura como la física comenzaba a cuestionar el paradigma de la objetividad: ¿podemos conocer la realidad sin interferir en ella y sin que ella interfiera en nosotros?

La ortodoxia cuántica, de la que Bohr fue uno de los principales paladines, plantea que la presencia del observador introduce una incertidumbre insoslayable. De acuerdo con Werner Heisenberg (1901-1976) y su principio de incertidumbre, es imposible conocer al mismo tiempo todas las propiedades de nuestra partícula porque, al observar una, estamos alterando el resto. Al querer conocer la posición exacta de un electrón, por ejemplo, su velocidad queda muy indeterminada. Por eso, desde este punto de vista no podemos ir más allá de calcular las potencialidades que nos ofrece su denominada función de onda.

Sin embargo, en los últimos años, la física no ha dejado de buscar formas de medición débiles, que no alteren el sistema observado, y de proponer modelos abiertos, que integran en su formulación al observador. El objetivo: precisar qué hacen las partículas cuando no las observamos… Si realmente estas propuestas llegan a buen puerto es posible que, como afirma Miret, vivamos una auténtica revolución de la mecánica cuántica. De todas formas, parece difícil que cualquiera de los nuevos planteamientos pueda dejar completamente de lado al observador, aunque solo sea para tratar de neutralizar sus efectos sobre el mundo observado.

Pero entonces… ¿qué es la luz?

José Vicente García Ramos (CSIC)*JV García Ramos

2015 es el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz, proclamado por la ONU con el objetivo de comunicar a la sociedad la importancia de la luz y sus tecnologías asociadas, en áreas como la energía, la educación, la salud, las comunicaciones, etc.

Pero… ¿Qué es exactamente la luz? Se atribuye a Euclides, alrededor del año 300 a.C., el descubrimiento de las leyes de la reflexión de la luz, aunque no fue hasta el siglo XVII cuando, por una parte, el genial científico inglés Isaac Newton (1642-1727) y, por otra, el matemático holandés Cristian Huygens (1629-1695), desarrollaron dos teorías contrapuestas sobre la naturaleza de la luz. Newton propu­so una teoría corpuscular, mientras que Huygens suponía que era un fenómeno ondulatorio.

Jhong Dizon / Flickr

Jhong Dizon / Flickr

Para Newton la luz estaba formada por un haz de par­tículas microscópicas que denominó corpúsculos. La idea no era mala. De hecho, los rayos de luz viajan velozmente en línea recta como lo hacen los proyectiles, y cuando se encuentran un objeto, se comportan de forma no muy di­ferente a como lo hace una bala cuando rebota. Incluso lle­gó a explicar el fenómeno de la refracción, ya que la luz se refractaría, es decir, cambiaría de dirección al pasar de un medio a otro por la diferencia de velocidad de transmisión en los dos medios, como le ocurre a una pelota cuando se hunde en un hipotético tarro gigante de mermelada.

No obstante, lo realmente difícil era explicar, desde el punto de vista de los corpúsculos, otras propiedades de la luz como la difracción y las interferencias, característi­cas ambas de las ondas. De hecho, después de Newton, la consideración de la luz como una onda comenzó a abrirse camino, ya que parecía tener mucho en común con las on­das del sonido en el aire o las olas del agua del mar o de los lagos.

En realidad, la teoría más consistente era la que supo­nía Huygens, pero el gran prestigio del que gozaba Newton mantuvo la teoría ondulatoria arrinconada durante más de un siglo, hasta que los experimentos de Thomas Young (1773-1829) y Auguste Jean Fresnel (1788-1827) la co­rroboraron ya en el siglo XIX. Esto ha sucedido en bas­tantes ocasiones; las grandes figuras científicas consiguen importantes avances, pero pueden actuar como rémoras en nuevos descubrimientos. Aunque, en este caso, el tiem­po y el desarrollo de la mecánica cuántica le devolvieron a Newton parte de la razón: la luz es un fenómeno ondula­torio, está formada por ondas electromagnéticas, pero a su vez puede considerarse formada por pequeñas partículas de luz (cuantos) llamadas fotones. De esta doble naturale­za corpuscular y ondulatoria gozan todas las partículas y ondas.

Actividad en el Instituto de Óptica del CSIC durante la Semana de la Ciencia 2014.

Actividad del IOSA en el Instituto de Óptica (IO) del CSIC en la Semana de la Ciencia 2014. Juan Aballe/CSIC

Pero esto no es verdad del todo. Tanto las ondas en el agua como las ondas del sonido necesitan un material para formarse. Los físicos de la época asumieron que había un medio invisible y delgado, al que llamaron “éter luminífe­ro”, que impregnaba el universo, por lo que consideraban que las ondas luminosas eran oscilaciones dentro de esta sustancia. Pero, en 1887, Albert Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923) montaron un experimento que no llegó a buen fin porque la hipótesis de partida era falsa, ya que no exis­tía ningún éter. Sin embargo, hay que pensar que la cosa no fue tan mal, pues existen algunas ondas que no necesitan un medio para propagarse, como aseguró Einstein en su teo­ría de la relatividad especial. En efecto, la velocidad de la luz siempre se puede medir sea cual sea el marco de refe­rencia que se elija, incluso en el vacío. De hecho, la veloci­dad de la luz en el vacío, c, es una constante universal, lo cual nos lleva a la conclusión de que la luz es una onda, pero tan especial que no necesita un medio para propagarse.

Al mismo tiempo, durante esos mismos años, los cien­tíficos comenzaban a estudiar el efecto fotoeléctrico que consiste en que, cuando la luz incide sobre ciertos obje­tos, estos liberan electrones. En principio, la teoría ondu­latoria de la luz podía explicar muy bien este efecto, ya que entre las características de las ondas está su capacidad para transportar y transferir energía. Pero los problemas comienzan cuando entramos en detalles. Si aumentamos la intensidad de la luz, se emiten más electrones, pero no cambia la energía de cada electrón. Por el contrario, si lo que aumentamos es la energía de la luz utilizada, esto es, utilizamos una luz más azul, la energía de cada electrón liberado aumenta, y aunque la intensidad de dicha luz sea baja, los electrones emitidos no tienen menos energía, lo único que ocurre es que se van liberando más lentamente.

Otra actividad del IO-CSIC

Otra actividad del IOSA en el IO-CSIC. Juan Aballe/CSIC

Estos resultados hicieron que Einstein pensara que la teoría ondulatoria no era lo bastante acertada como para describir la luz. Su propuesta fue que la luz está formada por fotones, cada uno de ellos con una energía específica que depende de la frecuencia de la luz. Los fotones chocan con los electrones de un material y los expulsan mientras les transfieren una energía igual a la energía del fotón me­nos la energía necesaria para liberarlos del material.

Esta teoría explicaba perfectamente el efecto fotoeléc­trico: una mayor intensidad de la luz significa más fotones, no más energía por fotón, que liberan más electrones, pero no con más energía por electrón. De hecho, Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico, no por la teoría de la relatividad.

Entonces, después de todo, ¿la teoría de los fotones es la buena? Y, si es así, ¿qué pasa con el comportamiento ondulatorio de la luz? La respuesta, quizá inesperada, es que la teoría de los fotones todavía es errónea. A pesar de la descripción de los fotones como partículas que arrancan electrones de un material, los fotones no son partículas. No tienen funciones de onda mecano-cuánticas ni tampo­co tienen asignadas posiciones, ni siquiera en el cambiante sentido mecano-cuántico que dice que, por ejemplo, un protón tiene asignada en cada momento una posición.

Lo adecuado es decir que un fotón es un objeto mecano-cuántico que no es una onda ni una partícula. Evidentemente, esta conclusión no es del todo satisfactoria. Es mu­cho más fácil explicar la naturaleza de la luz en términos que nos resulten familiares, con experiencias cotidianas de ondas y de partículas, pero, al hacerlo, perderemos muchas de sus propiedades. A modo de resumen, podemos decir que la consideración de la luz como una onda puede expli­car en general sus propiedades macroscópicas, mientras que los fotones como partículas componentes de la luz explican muchas de sus propiedades microscópicas. Lo que no tene­mos que olvidar, cuando oigamos hablar a alguien de la luz como onda o como partícula, es que se trata de una aproxi­mación. La naturaleza es mucho más sutil…

* José Vicente García Ramos es investigador del Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) y este texto es un extracto de su libro Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar (CSIC-Catarata).

Física cuántica en Navidad

Por Ángel S. Sanz (CSIC)*

Ciencia en Navidad 2014

‘Ciencia en Navidad’ es un proyecto del CSIC inspirado en las ‘Christmas Lectures’ y desarrollado con el apoyo de la FECYT.

Últimamente, y cada vez más, los medios de comunicación hablan de física (o mecánica) cuántica. Y cuando se escucha este término, no podemos por menos que echarnos las manos a la cabeza pensando que se trata de una teoría altamente compleja e ininteligible, sólo apta para unos pocos, capaces de entender su lenguaje matemático y los misterios que encierra.

Hace un par de años, a raíz del descubrimiento del bosón de Higgs (pieza clave en el puzle de partículas elementales que es el modelo estándar), la física cuántica saltó a primera línea y, desde entonces, las conferencias en torno a esta temática comenzaron a popularizarse. La física cuántica está de moda. Pero, ¿qué sabemos en realidad de esta teoría? ¿Es tan compleja e ininteligible como se nos presenta o, por el contrario, nos resulta simplemente absurda? ¿Cómo es posible esta situación de incertidumbre si una gran parte del producto interior bruto de los países industrializados está directa o indirectamente basado en la física cuántica?

El bosón de Higgs ha sido la última partícula que se ha descubierto, pero ése es un viaje que ha trazado la Humanidad desde los tiempos de Demócrito, cuando se debatía si la materia era continua o, por el contrario, estaba constituida de pequeñas partes, los átomos. Precisamente, una vez se comprendió que la materia parecía estar constituida por átomos, el siguiente paso fue intentar entender cómo eran posibles, es decir, atacar lo que se conoce como el problema de la estabilidad de la materia, que engloba además una serie de cuestiones inabordables con las teorías físicas del siglo XIX. Este sería el germen de la mecánica cuántica, que comenzó explicando el átomo de hidrógeno y la tabla periódica, y finalizó con el bosón de Higgs. Aunque hay que tener en cuenta que la física cuántica es mucho más, porque al mismo tiempo que nos explica la estabilidad de la materia, también nos dice que el mundo es mucho más rico en matices de lo que estamos habituados a percibir en la vida cotidiana. Esto es, un sistema cuántico puede ser localizado en varios lugares al mismo tiempo, lo que el físico austríaco Erwin Schrödinger ilustró con la vívida idea de que un gato metido dentro de una caja, y cuya vida está sometida al capricho de la desintegración de un pedazo de sustancia radiactiva, estará vivo y muerto al mismo tiempo.

Ciencia en Navidad 2014

‘¿Qué tienen que ver los gatos con el bosón de Higgs?’, el 22 de diciembre a las 18h.

En la Navidad de 1825, el físico autodidacta inglés Michael Faraday lanzó desde la Royal Institution una serie de conferencias anuales, las Christmas Lectures®, en las que se presentaba y explicaba al gran público avances en las diferentes disciplinas científicas de interés de la época. Salvo por la interrupción de cuatro ediciones debida a los bombardeos de Londres durante la Segunda Guerra Mundial, esta tradición se ha mantenido vigente hasta la actualidad.

¿Y por qué les cuento todo esto? Recogiendo ahora el guante de Faraday, por un lado, y ese interés por el misterioso mundo cuántico, por otro, este año se pretende lanzar desde el CSIC la primera experiencia en esa línea, un proyecto ilusionante e ilusionador, que ayude a acercar la ciencia a la sociedad de una manera muy amena, sencilla y, sobre todo, humana.

El propósito de la primera conferencia (¡no al uso!) de ‘Ciencia en Navidad’ es introducir la física cuántica al público general. Se trata de que el público comprenda que la base de la física cuántica es relativamente simple y que, cuando mire a la pantalla de su televisor, toque la pantalla de su móvil, encienda sus leds navideños o simplemente se mire al espejo, recuerde que en todo ello hay un gato que está vivo y muerto a la vez, o que los electrones que hay en esos dispositivos alguna vez, en el pasado, adquirieron su diminuta masa gracias a un bosón de Higgs.

* Ángel S. Sanz es investigador en el Instituto de Física Fundamental (CSIC) y va a inaugurar ‘Ciencia en Navidad’ con la sesión “¿Qué tienen que ver los gatos con el bosón de Higgs?”, que se celebrará el lunes 22 de diciembre a las 18h en el Salón de actos del CSIC (c/ Serrano, 117, Madrid). Entrada libre y gratuita.

La perturbadora teoría de los mundos paralelos

Alberto_Casas_cuadradaPor Alberto Casas (CSIC)*

En este mismo blog, en la pasada entrada, veíamos cómo la física cuántica, una teoría probada hasta la saciedad, nos enseña que un electrón (o cualquier objeto) puede estar en una superposición de estados. Esto significa, por ejemplo, que puede estar en dos posiciones a la vez; y que es al ser observado cuando se materializa en una de ellas. Por muy poco sentido común que parezca tener esta idea, es un hecho verificado experimentalmente.

Pues bien, existe una perspectiva alternativa (y científicamente sensata) de la física cuántica, la llamada Hipótesis de los Muchos Mundos o Universos Paralelos, que ofrece una interpretación distinta de lo que realmente sucede en el proceso de observación; una interpretación aún más extraña y sugerente.

Para entenderla, volvamos a considerar dos posiciones separadas por una distancia, A y B. Recordemos que un objeto cualquiera, por ejemplo un electrón, puede encontrarse en la posición A o en la posición B. Al primer estado lo llamamos ЕA y al segundo ЕB. Pero la física cuántica nos dice que el objeto puede estar también en una superposición de estados: ЕA + ЕB.

Superposición de estados

Esto significa que, en cierto modo, el electrón está en las dos posiciones a la vez. Según la interpretación ‘ortodoxa’ de la física cuántica, cuando una persona contempla al electrón anterior, este último aparecerá en una de las dos posiciones, A o B, con una probabilidad del 50% para cada una. Por el hecho de ser observado, el estado del electrón pasa de ser  ЕA + ЕB a ser  ЕA o ЕB, dependiendo de la posición en la que se materialice. A este fenómeno, producido por el mero hecho de observar, se le llama ‘colapso’.

Sin embargo, según la Teoría de los Muchos Mundos, el estado del sistema no cambia al ser observado, no hay ningún colapso: nuestro electrón anterior continúa en el estado de superposición: ЕA + ЕB, aun después de ser observado. Entonces, parece que la persona que observa debería ver el electrón en las dos posiciones a la vez. ¿Por qué no sucede así?

En realidad no hay nada contradictorio en ello. Pensemos que nuestra observadora también tiene un estado, llamémoslo Еobs.

Observadora

Si consideramos el sistema conjunto formado por la observadora y el electrón, su estado global es el producto de los estados de ambos:

Observadora y superposición de estados

Usando una igualdad matemática simple, este estado lo podemos expresar así (con su ‘traducción’ gráfica):

Igualdad matemática

Es decir, que, por el hecho de observar, la propia observadora está ahora en una superposición de estados: su ‘yo’ se ha desdoblado en dos ‘ramas cuánticas’.

Cada ‘yo’ observa cosas distintas. En una rama cuántica, la observadora ve la partícula en la posición A. En otra, la ve en la posición B. Naturalmente, las historias posteriores en cada una de las ramas serán también diferentes. Las dos realidades coexisten de forma simultánea.

Esta Hipótesis de los Muchos Mundos de la física puede parecer delirante… Lo cual la hace también apasionante. Con el tiempo, la interpretación de los Muchos Mundos ha ido ganando adeptos, y hoy en día se considera una perspectiva perfectamente seria de la física cuántica, aunque no está comprobada (y es difícil diseñar experimentos que puedan decidir entre ella y la ortodoxa).

Pensemos un momento sobre sus fascinantes implicaciones. Si se acepta la Hipótesis de los Muchos Mundos, el ‘yo’ que sentimos sería sólo una de nuestras versiones: el ‘yo’ de una cierta rama cuántica. Y de forma permanente se siguen creando desdoblamientos de nuestro ‘yo’, puesto que continuamente estamos realizando observaciones de uno u otro tipo. Los nuevos ‘yos’ que se crean a cada momento comparten un pasado común, pero tienen ante sí un futuro diferente. Esencialmente, todas las posibilidades potenciales se realizan en una rama u otra de nuestro complicado estado cuántico. Por ejemplo, si apostamos a un número en la ruleta de un casino, la mayor parte de los ‘yos’ que se crean en ese momento verán fallar la apuesta, pero en algunas afortunadas ramas nuestros ‘yos’ resultarán agraciados.

Múltiples observadoras

Esta perspectiva relativiza nuestra propia existencia. El valor de nuestras propias decisiones queda relativizado, dado que en otras ramas las decisiones tomadas pueden haber sido otras. Se trata de un panorama perturbador, aunque tal vez pueda ofrecer algún consuelo. Por ejemplo, los seres queridos que hemos perdido podrían continuar viviendo en otras ramas cuánticas, y nosotros disfrutando de su compañía en ellas. No podemos saltar de una rama a otra, ni comunicarnos con ellas; pero puede reconfortar el hecho de que ‘en otros mundos’ las cosas son distintas y quizá mejores.

*Este texto forma parte de una conferencia que Alberto Casas, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM), impartió en la edición de TEDxMadrid de 2014. Imágenes elaboradas por el equipo de TEDxMadrid.

 

La ‘insensatez’ de la física cuántica

Alberto_Casas_cuadradaPor Alberto Casas (CSIC)*

El sentido común se basa en los juicios que realizamos sobre las cosas basándonos en nuestra propia experiencia. El problema es que nuestra experiencia es muy limitada. Esto es así probablemente en muchos aspectos (economía, derecho, psicología, etc.), pero lo es sin duda en lo que concierne a la realidad física: nuestra experiencia abarca un rango muy limitado de escalas físicas (escalas de distancia, tiempo, energía…). Los modelos mentales que utilizamos para describir la naturaleza en esos rangos suelen fracasar cuando se extrapolan a otros más amplios. El sentido común no siempre es una guía fiable.

Gracias al método científico podemos investigar el mundo más allá de nuestra experiencia directa, revelando la naturaleza más profunda de las cosas. Y, efectivamente, a menudo encontramos que esa naturaleza contradice nuestro sentido común.

Por ejemplo, cuando en la Antigüedad se creía que la Tierra era plana, simplemente se extrapolaba (erróneamente) la experiencia cotidiana a escalas más grandes. Los científicos pioneros de la antigua Grecia fueron capaces de comprender que la Tierra era realmente redonda y que su aparente ‘planitud’ era una ilusión óptica producida por nuestras limitaciones para percibir la realidad.

Desde entonces la ciencia ha avanzado enormemente y nos ha revelado muchos otros rasgos sorprendentes de la naturaleza. Ahora sabemos que, al igual que pasó en su momento con la ‘planitud’ de la Tierra, la forma en la que percibimos la realidad es en gran medida una ilusión óptica, una falsa apariencia de la realidad profunda de las cosas. Y seguramente la teoría científica que nos revela aspectos más insólitos de la realidad es la física cuántica.

Cuando se habla de física cuántica hay que tener en cuenta que no se trata de una mera especulación. De hecho, es posiblemente la teoría científica más exitosa de la historia. Sus predicciones han sido comprobadas con una precisión fantástica en los ámbitos más variados. Y nunca se le ha encontrado un fallo. Se trata, por tanto, de una teoría extraordinariamente robusta, tanto desde el punto de vista teórico como desde el experimental.

Sin embargo, cuando se estudia la física cuántica parece casi una locura, ya que choca frontalmente con nuestro sentido común más básico. Ésta es una de las razones por las que cuesta tanto entenderla, y también por la que resulta tan fascinante. Entre las causas de esta dificultad de comprensión, está la superposición de estados físicos.

Imaginemos dos posiciones A y B separadas por una distancia, que podría ser de un milímetro o de 1.000 kilómetros, eso da igual.

Dos posiciones

Consideremos ahora un objeto, por ejemplo una partícula elemental, digamos un electrón. Intuitivamente, el electrón podrá encontrarse en la posición A o en la posición B. Al primer estado lo llamamos EA y al segundo ЕB:

Estados A y B

La idea intuitiva, o clásica, es que el electrón estará en A o en B, o sea su estado será EA o EB.

Sin embargo, la física cuántica nos enseña que el estado del electrón puede ser una superposición de ambos: EA + EB:

ambos estados a la vez

¿Significa esto que el electrón puede estar en las dos posiciones, A y B, a la vez? En cierto modo sí, por extraño que parezca. Y se trata de un hecho verificado experimentalmente hasta la saciedad. Hemos puesto el ejemplo con un electrón, pero podríamos hacer lo mismo con una pelota o un planeta: cualquier sistema físico puede estar en una superposición de estados.

Entonces, ¿cómo es que nunca vemos objetos en dos posiciones a la vez? Esto tiene que ver con el papel especial que la física cuántica reserva a los observadores. Cuando un observador contempla el electrón anterior, este último aparecerá en una de las dos posiciones, A o B,  con una probabilidad del 50% para cada una. Es como si la persona que observa hiciera que el electrón se manifestase de repente en una de las dos posiciones.

Esto tiene una implicación extraordinaria: los observadores son capaces de cambiar el estado de los sistemas físicos sólo con observarlos. En nuestro caso, si hemos encontrado el electrón en la posición A, su estado ha pasado de ser EA + EB a ser simplemente EA.

estados y observadora

Este cambio del estado de un sistema, solo por el hecho de observarlo, se conoce con el nombre de ‘colapso’.

Pensemos un poco más sobre el significado de todo esto. En la vida ordinaria usamos muchas veces el concepto de probabilidad (a menudo de forma inconsciente), pero siempre como un reflejo de nuestra ignorancia, no como algo esencial. Por ejemplo: es un juego típico con niños y niñas mostrarles los dos puños cerrados para que adivinen en cuál se oculta un caramelo. Cuando eligen una mano, saben intuitivamente que la probabilidad de que el caramelo esté ahí es del 50%. Pero esta probabilidad no es real. El caramelo no se ‘materializa’ al azar en una de las dos manos cuando las abrimos, sino que estaba en ella desde el principio. Pensar lo contrario sería absurdo. Pero este ‘absurdo’ es lo que sucede con el electrón anterior según la física cuántica. El electrón en el estado EA + EB  no tiene una posición definida. No es que la tenga y nosotros la desconozcamos, es que no la tiene. Y es al medir su posición (el equivalente a abrir las manos) cuando efectivamente se manifiesta en una de ellas de forma aleatoria.

Hay que decir que la física cuántica no aclara qué seres están cualificados como observadores, es decir, son capaces de cambiar los estados al observarlos: ¿solo los humanos?, ¿cualquier ser con conciencia, como un perro?, ¿cualquier objeto de un cierto tamaño, como una cámara fotográfica? La respuesta a estas preguntas no se conoce. Es un problema abierto…

problema abierto

En cualquier caso, se interprete como se interprete, la física cuántica nos ofrece un ejemplo extremo de que la realidad profunda de las cosas es enormemente más antiintuitiva, compleja, perturbadora de lo que creíamos; pero también enormemente más rica y fascinante que la imagen de rasgos bien definidos que, engañosamente, nos ofrecen nuestros limitados sentidos, experiencia y sentido común.

 

*Este texto forma parte de una conferencia que Alberto Casas, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM), impartió en la edición de TEDxMadrid de 2014. Imágenes elaboradas por el equipo de TEDxMadrid.