BLOGS
Ciencia para llevar Ciencia para llevar

CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

Entradas etiquetadas como ‘Física’

¿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.

Un viaje en el tiempo en busca de la luz

Por Mar Gulis (CSIC)

La luz, un fenómeno fundamental para el desarrollo de la vida en nuestro planeta, ha sido y es algo fascinante para los seres humanos, además de una importante fuente de inspiración en diversos campos como la pintura, la poesía o el arte en general, así como en diferentes disciplinas científicas.

¡Nos han robado la luz! Viaja en el tiempo con nosotr@s para recuperarla. 22 de diciembre de 2015 a las 18 horas.

‘¡Nos han robado la luz! Viaja en el tiempo con nosotr@s para recuperarla’. 22 de diciembre de 2015 a las 18 horas.

Desde fenómenos lumínicos espectaculares como los amaneceres y las puestas de Sol, los arcoíris, las auroras boreales, etc., hasta utilizaciones concretas como los rayos láser, los telescopios o las conexiones ópticas, lo cierto es que la luz y sus características no han dejado de resultar enigmáticas y sorprendentes. Así, la ciencia lleva siglos cuestionándose qué es la luz, en qué consiste la propia naturaleza de este fenómeno físico tan cotidiano y cuáles son sus posibles aplicaciones.

Es prácticamente inimaginable concebir una vida sin luz y sin todas las utilidades que provienen de ella y que facilitan la existencia en casi todas las actividades humanas. Por ello, el 20 de diciembre de 2013 la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamaba 2015 como ‘Año Internacional de la Luz y de las tecnologías basadas en la luz’, con el objetivo de comunicar a la sociedad y poner de relieve la importancia que de la luz en áreas tan importantes como la energía, la educación, la salud, las comunicaciones, etc.

Hoy martes 22 de diciembre, a las 18 horas, en el salón de actos del CSIC en la calle Serrano, 117 (Madrid), el CSIC aprovecha los días de ocio de las vacaciones navideñas para invitar a jóvenes y mayores a participar en la actividad ‘¡Nos han robado la luz! Viaja en el tiempo con nosotr@s para recuperarla’. Con este título, un grupo de investigadores del Instituto de Óptica Daza de Valdés del CSIC pone en marcha la segunda edición de Ciencia en Navidad con una actividad de divulgación científica teatralizada para toda la familia.

Si la física cuántica protagonizaba la primera edición del evento (2014) con la sesión ‘¿Qué tienen que ver los gatos con el bosón de Higgs?’, la actividad de este año nos invita a trasladarnos a diferentes épocas, desde la Antigua Grecia hasta el futuro, para recuperar la luz y comprender sus propiedades. De este modo, Alba, una joven científica, hará un viaje en el tiempo y preguntará sobre la naturaleza de la luz a Herón de Alejandría, Newton, Huygens, Maxwell y Einstein, personajes excepcionales de este cuento de Navidad que desfilarán por escena respondiendo a las preguntas con entretenidos y vistosos experimentos lumínicos de diversa índole.

De un modo lúdico y teatralizado, en esta actividad divulgativa para todas las edades se tratarán aspectos como las leyes de reflexión, los fenómenos de absorción, emisión, refracción. Se abordará la discusión fundamental entre Newton y Huygens, en la que el primero defendía la naturaleza corpuscular de la luz, y el segundo su naturaleza ondulatoria (más tarde el físico francés De Broglie descubrirá que ambos llevaban razón). La luz como onda electromagnética, la polarización, la energía o los láseres, son otros contenidos que pasarán por esta segunda edición de Ciencia en Navidad.

Algunos de los protagonistas de ‘¡Nos han robado la luz!’ (Juan Diego Ania, Rebeca de Nalda, Pedro Corredera y Javier Solís) lo explican así en el siguiente vídeo. La obra también contará con la participación de Javier Portilla y Jaime Pérez del Val.

 

Para más información sobre la luz y sus propiedades, puedes visitar aquí la exposición ‘Un universo de luz’, así como sus unidades didácticas asociadas y diez fichas de experimentos.

El “espeluznante” error de Einstein

Por Mar Gulis (CSIC)*

Una de las ideas más desconcertantes de la mecánica cuántica, la disciplina que estudia el comportamiento de la materia a escala microscópica, es la superposición de estados. Todas las partículas pequeñas –como los electrones o los átomos– pueden estar en varios estados a la vez. Es la acción de medir algún parámetro (velocidad, posición, etc.) la que rompe la superposición y lleva a la manifestación de un estado determinado.

Einstein-Bohr

Einstein y Bohr fotografiados en 1925.

Este planteamiento tan poco intuitivo, pero basado en numerosas evidencias, nunca terminó de convencer a Albert Einstein (1879-1955). El creador de la teoría de la relatividad se negaba a aceptar, por ejemplo, que un electrón pudiese estar en varios puntos a la vez y que fuese el intento de medir su posición lo que lo ‘fijara’ en uno de ellos. El electrón debía estar en un único punto antes de la medida. De ahí su célebre frase: “Dios no juega a los dados con el universo”. Y de ahí también la famosa réplica de su colega Niels Bohr (1885-1962), uno de los ‘padres’ de la mecánica cuántica: “Deje de decirle a Dios qué hacer con sus dados”.

Einstein no dudaba de que las observaciones y la formulación de esta disciplina eran correctas, pero pensaba que su indeterminismo hacía de ella una teoría incompleta. Una de las críticas más elaboradas que le dedicó se conoce como la paradoja EPR, así llamada por el nombre de sus autores: el propio Einstein, Boris Podolsky (1896-1966) y Nathan Rosen (1909-1995).

La paradoja proponía un experimento imaginario en el que, a partir de un fenómeno conocido y controlado, se creaban dos partículas (A y B) correlacionadas de tal forma que si una tenía el espín –la ‘dirección’ en la que las partículas giran sobre sí mismas– hacia arriba (giro a favor de las agujas del reloj), la otra debía tenerlo hacia abajo (giro en contra de las agujas del reloj). Sin embargo, de acuerdo con el principio de superposición, tenemos que suponer que tanto A como B tienen su espín hacia arriba y hacia abajo hasta el momento de la medición. Por tanto, al medir A no solo estaríamos ‘obligando’ a su espín a asumir una dirección determinada, sino que también estaríamos provocando que el espín de B adoptase la contraria. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, este entrelazamiento o correlación (como se denominó el fenómeno con posterioridad) debería mantenerse por más alejadas que estuvieran A y B.

Entrelazamiento

Matthias Weinberger

Esta conclusión chocaba con la teoría de la relatividad, según la cual nada puede viajar más rápido que la luz. Si A se queda en la Tierra y B viaja hasta Alfa Centauri, a más de cuatro años luz, ¿cómo una medición en A puede afectar a B inmediatamente? O bien la mecánica cuántica estaba incompleta o bien había que aceptar la existencia de una “espeluznante [o fantasmal] acción a distancia”; una comunicación instantánea entre A y B.

La paradoja EPR quedó en el terreno de la filosofía de la ciencia hasta que en 1964 John Bell (1928-1990) propuso una forma matemática para resolverla. No obstante, hubo que esperar hasta los años 80 para que Alain Aspect (1947) y sus colaboradores lograsen trasladar al laboratorio la propuesta de Bell de forma satisfactoria. Los experimentos dieron la razón a la mecánica cuántica: el entrelazamiento y la acción a distancia son parte del mundo microscópico. Y aquí tenemos una de las diferencias entre la teoría de la relatividad y la cuántica que hace tan difícil unificarlas: si la primera es una teoría local, porque la velocidad de la luz es finita y los fotones necesitan un tiempo para ir de un sitio a otro, la segunda es no local, lo que hace que la acción de una perturbación pueda transmitirse instantáneamente de un sitio a otro muy alejado.

El genial Einstein se equivocó en esta ocasión. Sin embargo, su error resultó enormemente fructífero, pues condujo a verificar la existencia de un fenómeno con amplio potencial de aplicaciones. El entrelazamiento es la base del desarrollo de tecnologías cuánticas que previsiblemente transformarán el mundo tal y como lo conocemos hoy en día. Ordenadores cuánticos mucho más potentes que los actuales, nuevos métodos de encriptación práctiacamente inviolables y hasta la teletransportación de partículas microscópicas son solo algunas de ellas. Te las contaremos en próximos posts.

 

* Si quieres más ciencia para llevar sobre este tema, consulta el libro Mecánica cuántica (CSIC-Catarata), del investigador del CSIC Salvador Miret.

En la frontera de la química: cómo la materia se convirtió en vida

AutorPor Manel Souto Salom (CSIC)*

Hace tiempo, un redactor de una revista científica le preguntó a Jean-Marie Lehn, premio Nobel de Química en 1987, cuál era el gran interrogante de la química. “Los físicos tratan de desentrañar las leyes del universo. Los biólogos dicen que intentan resolver las reglas de la vida. Pero, ¿cuál es la gran pregunta que los químicos deben responder?” Lehn le contestó que la química tiene el reto de resolver la pregunta más importante de todas: ¿cómo la materia ha sido capaz de convertirse en algo que viva o piense? ¿De qué manera ha podido generar entidades capaces de preguntarse sobre el origen mismo del universo del que surgió?

Desde este punto de vista, la química constituye el puente que hay entre las leyes del universo y su específica forma de vida, es decir, entre la física y la biología. Su objetivo es descubrir y entender el proceso que gobierna la evolución de la materia hacia el aumento de su complejidad, desde las primeras partículas hasta la vida y la materia pensante.

Gran Salar de Uyuni

Imagen microscópica de cristales procedentes del Gran Salar de Uyuni flotando en el agua junto a diversos microrganismos. / María Jesús Redrejo Rodríguez y Eberhardt Josué Friedrich Kernahan (FOTCIENCIA12)

Y la clave de todo ello es la autoorganización, definida por Lehn como “la fuerza motriz del universo”. La premisa básica es que nuestro universo está construido de tal manera que la materia tiende a autoorganizarse; por lo que los seres humanos no somos un accidente, sino el resultado de nuestro universo.

Para estudiar de qué forma se organiza la materia, Lehn propone ir más allá de las fronteras de la química tal y como se la entiende comúnmente. Hoy día hablamos de química supramolecular para describir las interacciones de las moléculas entre sí. Si pensamos que una molécula es una casa compuesta por átomos que funcionan como ladrillos, la química supramolecular se ocuparía de la vida en el barrio.

Pues bien, Lehn parte de la base de que las interacciones entre moléculas son dinámicas y adaptativas. Es decir, que las casas y los edificios son capaces de ensamblarse y reordenarse para dar lugar a un barrio más complejo que el de partida; y que esos procesos responden a las condiciones del entorno en el que se producen. Lehn habla de una evolución predarwiniana – es decir, previa a la vida– para referirse a estas adaptaciones.

En el principio de la explosión original o Big Bang, era la física quien reinaba. Luego, cuando se alcanzaron temperaturas más bajas, vino la química. Las partículas formaron átomos y estos se unieron para producir moléculas cada vez más complejas dando a luz a las primeras células de las que brotó la vida en nuestro planeta. Esto ocurrió hace 3.800 millones de años. Hoy, la tarea de la química es revelar las vías de autoorganización y trazar los caminos que condujeron a la materia inerte hacia la materia orgánica, de ahí a la materia viva y, por último, a la pensante.

 

* Manel Souto Salom (Valencia, 1988) realiza su tesis doctoral en el Departamento de Materiales Orgánicos y Nanociencia Molecular (Nanomol) del Instituto de Ciencia de los Materiales de Barcelona del CSIC. Es autor del blog www.reaccionando.org y colaborador de El Huffington Post y El Periódico de Catalunya.

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).