La ‘insensatez’ de la física cuántica

Por 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.

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 E_A y al segundo Е_B:

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

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

¿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 E_A + E_B a ser simplemente E_A.

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 E_A + E_B  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…

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.

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