Los secretos de la física cuántica
Este post me tiene muy animado, me llevó un par de días escribirlo y tratar de que todo quedará tan bien, disfrútenlo.
La física que estudia y explica los fenómenos que ocurren a un nivel subatómico, allá donde se encuentra el núcleo de los átomos, las partículas elementales y todo lo pequeño que es imposible ver con nuestros ojos, así estemos usando un microscopio, esa física se denomina física cuántica. Y, la teoría matemática básica que explica los movimientos y relaciones en este campo se denomina mecánica cuántica. En pocas palabras, la física cuántica se encarga la parte teórica al nivel subatómico, y la mecánica cuántica se encarga de la parte matemática al nivel subatómico. Bueno, ya que tenemos claro que la física cuántica es diferente de la mecánica cuántica, puedo libremente usar estos términos sin que haya confusión alguna.
Desde hace muchos años, el hombre siempre estuvo interesado en saber el porqué de las cosas, saber explicar de dónde provienen ciertos fenómenos y cómo es su comportamiento, el hombre es curioso de naturaleza, esto lo llevó a investigar para encontrar una respuesta satisfactoria. En el siglo XIX, el científico Max Planck se preguntó: ¿Por qué el color de la luz cambia cuando el filamento de un bombillo se calienta?, a las personas de la época no le importaba ni en lo más mínimo porqué la luz de un bombillo cambia, lo importante era que existía la electricidad y que ésta podía iluminar hogares, empresas, calles y todo lo que nosotros queramos.
La invención de la bombilla eléctrica abrió las puertas al nacimiento de la mecánica cuántica, Max Planck decidió buscar la relación que hay entre el color y la temperatura. Para esto, Planck y sus colegas decidieron realizar un experimento para estudiar la radiación de un cuerpo negro, crearon un tubo especial que podían calentar a una temperatura muy precisa y así poder medir el color o la frecuenta de la luz que se producía.
Planck sacó sus propias conclusiones: La energía era absorbida y emitida en cuantos de energía proporcionales a la frecuenta de la luz que irradia, multiplicado por la constante de Planck que tiene un valor numérico de 6.63x10^-34 J.s, esta ecuación se resume en E=h.f. Planck ideó una nueva forma de imaginarnos la energía, ya sea en forma de paquetes o como bien él lo dijo “cuantos”, sí amigos, la energía está cuantizada en paquetes de forma discreta. En el mundo subatómico se estudia la energía de manera cuantizada, incluso, la física cuántica viene del nombre que Planck le puso a su descubrimiento: cuantos de energía
Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro.
Cuerpo negro ideal | Fuente
En el siglo XIX, Heinrich Hertz descubrió por serendipia el efecto fotoeléctrico, Hertz experimentó un fenómeno completamente nuevo y desconcertante: “La chispa entre dos esferas de metal se volvía más brillante, se incrementaba la descarga eléctrica, cuando una de ellas se hallaba iluminada con luz ultravioleta”. Pero, por desgracia, Hertz muerte a los 36 años de edad y no pudo terminar descifrar que sucedía con el efecto fotoeléctrico.
Serendipia: Se referirse a la habilidad de un sujeto para reconocer que ha hecho un descubrimiento importante aunque no tenga relación con lo que busca, es decir, serendipia es encontrar algo que no estabas buscando.
En 1905, llegó Albert Einstein para hacer historia, ideó una nueva teoría para explicar el efecto fotoeléctrico, sostuvo intrínsecamente que: “Hay que olvidar toda idea de que la luz es una onda y pensar que es una corriente de diminutas partículas”. Einstein había cambiado la forma de ver la luz como una onda, ahora había que estudiarla como una partícula. Para describirla utilizó el término que Planck usó anteriormente: cuántos, lo que hoy en día conocemos como fotón, en aquel entonces lo llamaban cuantos de luz. Ahora la luz no es solo una onda, sino es también una partícula, de aquí nace la dualidad onda-partícula. La idea de que la luz era un cuanto, parecía una completa locura para aquel entonces, sin embargo, seguir la línea de pensamiento de Einstein y su lógica conclusión, resolvía todos los problemas con la luz de un solo golpe.
La luz era una partícula, la cual podía explicar la catástrofe ultravioleta y el efecto fotoeléctrico, pero también era una onda, capaz de explicar las sombras y las burbujas de jabón. Luego, unos pocos años después de la brillante y loca idea de Einstein, la paradoja se profundizó mucho más y se volvió más rara. Porque lo que parecía ser un misterio curioso de la luz, estaba a punto de convertirse en una batalla sobre la naturaleza de la realidad misma. Por un lado, una nueva ola de científicos revolucionarios liderados por el brillante físico danés, Niels Bohr y por el otro lado, la voz de la razón... Albert Einstein, en la cima de su prestigio y ahora famoso mundialmente, sin duda, un adversario formidable.
La batalla comenzó con un experimento engañosamente simple y se prolongó durante décadas. Lo extraño es que el experimento no era ni siquiera sobre la luz, sino que se trataba de las partículas que forman la electricidad, el electrón. A mediados de la década de 1920, se realizó un experimento que reveló algo totalmente inesperado sobre los electrones, cabe destacar que, para esa época se aceptaba que los electrones eran unos diminutos bloques de energía, partículas pequeñas y sólidas.
En el experimento, dispararon un haz de electrones en un cristal y observaron como las partículas se dispersaban, eso es totalmente equivalente a que disparemos un haz de electrones a una pantalla con dos hendiduras en ella, de modo que los electrones pasaran a través de las ranuras y golpearan a otra pantalla en la parte posterior. Lo que los científicos encontraron inusual, es que, cuando el haz de electrones golpeaba a la pantalla que estaba en la parte posterior, aparecían una serie de líneas características, algo que sólo dan lugar a un patrón de interferencia de onda, estas líneas características son bandas de tono claro y oscuro, cada vez que este patrón aparece es porque hay un comportamiento ondulatorio.
Primero, la luz, que por un largo tiempo se creyó que era una onda, resultó que a veces se comporta como una partícula y ahora los electrones, que por un largo tiempo se creyó que eran pequeñas partículas, ahora se comportan como ondas… ¿Qué gran problema no? jajajaja, es una locura que la luz pueda ser onda y partícula al mismo tiempo o no necesariamente tiene que ser al mismo tiempo, sino que puede ser onda y partícula cuando le plazca, se podría decir que es bipolar, puede cambiar su estado “anímico” de un momento a otro, esto hace que la física cuántica sea una locura y que a la vez sea muy interesante.
El experimento de la doble rendija usando como protagonista al electrón, tiene otro misterio mucho más inusual que el anterior. Este experimento se repitió varias veces en distintos laboratorios de todo el mundo, incluso disparó un electrón contra dos rendijas, se pudo observar que, cada electrón que pasa de manera individual por la ranura está contribuyendo al patrón de interferencia de onda, esto nos lleva a una sola conclusión: el electrón debe estar comportándose como una onda, por ende, está pasando al mismo tiempo por las dos ranuras. Pero amigos, tengan en cuenta algo, se disparó un solo electrón y este atravesó las dos ranuras al mismo tiempo y chocó contra la pantalla posterior dejando visible el patrón de interferencia. ¿Cómo diablos es posible esto?, es una locura.
Aquél que no quede conmocionado por la teoría cuántica, es porque no la ha comprendido.
Niels Bohr.
Para explicar los extraños resultados de los experimentos, Niels Bohr y sus colegas crearon lo que hoy en día conocemos como la mecánica cuántica, recuerden que la física cuántica es diferente de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica nos dice algo así: No podemos describir a lo que está viajando como un objeto físico, lo único que podemos describir es la probabilidad de donde podría estar el electrón. Por un segundo olvidemos al electrón como partícula y como onda, saquemos estos términos de nuestra mente, ahora hay que pensar de la mismo forma como lo hace la mecánica cuántica, pensemos de manera probabilística, de alguna forma una “ola de probabilidades” es la que está pasando por ambas ranuras, produciendo interferencia, así como lo hace una onda, luego cuando llegue a la pantalla, la ola de posibilidades de manera casi fantasmal, se vuelve real, es decir, el electrón sale del estado probabilístico y se vuelve una partícula.
Para entender cuan raro es esto, hagamos una pequeña analogía: Si hago girar una moneda, ésta se ve borrosa y no podemos saber si es cara o cruz, en este punto podemos afirmar que es una combinación de las dos, pero ¿Qué pasa si la detengo?, obligo a la moneda a permanecer en un solo estado, ya sea cara o cruz. Anteriormente no se sabía en cual estado estaba porque era la combinación de cara y cruz, pero tan pronto como la detuve, la moneda tomó una decisión.
Fuente
Esto fue lo que Niels Bohr y sus colegas afirmaron que estaba sucediendo con el electrón, mientras la moneda gira, esta puede ser cara y cruz, porque aún no se ha definido un estado, del mismo modo, la onda de probabilidad de los electrones pasa a través de las ranuras al mismo tiempo. Nuestra monera luego se detiene en cara, entonces la onda de probabilidades llega a la pantalla, en este momento el electrón toma una decisión y se convierte en partícula. Bohr afirmaba que uno nunca puede saber dónde está realmente el electrón hasta que es observado, y no es sólo que se desconozca la posición del electrón, sino que extrañamente es como si éste estuviera en todas partes al mismo tiempo, recuerden que estamos hablando de la probabilidad de que electrón esté en un lugar o en otro.
Tengan en cuenta que los electrones son uno de los más comunes y básicos bloques constructivos de la realidad y, sin embargo, Bohr está afirmando que sólo cuando lo observamos traemos su posición a la realidad, es como si existiera una barrera entre nosotros y el mundo cuántico y detrás de esta no existe una realidad sólida, sólo una realidad potencial. Las cosas solo se hacen realidad cuando tumbamos la barrera y observamos, amigos; esté punto de vista se le conoció nada más y nada menos como la Interpretación de Copenhague. Albert Einstein odiaba como a nadie ésta interpretación, incluso, dijo una frase muy reconocida en la comunidad científica: ¿Deja la luna de existir cuando yo no la veo?. El físico alemán estaba muy en desacuerdo, ya que Bohr le puso límites al conocimiento, incluso, pensó que debería haber una teoría mejor. Durando varios años, estos titanes de la física estuvieron discutiendo acerca de si la mecánica cuántica consistía en renunciar a la realidad o no.
Luego, Nathan Rosen y Boris Podolsky se unieron a Albert Einstein para apoyarlo en su disputa, incluso, creyeron que habían encontrado una forma de ganar el debate Einstein-Bohr. Estos físicos estaban convencidos de haber encontrado un defecto fatal en la Interpretación de Copenhague y su afirmación de que la realidad cambia cuando se está observando. En el centro del argumento de Einstein estaba un aspecto de la mecánica cuántica llamado: entrelazado. Este entrelazamiento es una relación que presentan dos partículas cuyos destinos están entrelazados, cuando dos partículas han sido creadas al mismo tiempo, muchas de sus propiedades estás vinculadas para siempre, no importa donde se encuentren.
Aquí es donde viene la parte buena, ¿Se acuerdan de la analogía de la moneda que gira?, bueno, hagamos la misma analogía, pero en esta ocasión usaremos dos monedas, cuando detenemos una de las monedas que está girando y por ejemplo: esta se convierte en cara, debido a que las monedas están vinculadas a través del entrelazado, automáticamente la segunda moneda se convertirá en cruz. Es como si las monedas se estuvieran comunicando secretamente a través del espacio y el tiempo, no importa que tan lejos estén, pero la acción sucedía de manera instantánea, es decir, superando la velocidad de la luz, a esto se le conoció como la paradoja EPR, y estaba en contra de la teoría de la relatividad. Einstein llamó a esto: “acción fantasmal a distancia” y afirmó que era un error de la Interpretación de Copenhague.
Einstein no imaginaba las partículas cuánticas como un par de monedas girando, eran más como, por ejemplo, un par de guantes, izquierdo y derecho, separados en cajas. No sabemos qué caja contiene qué guante, hasta que tomamos la decisión de abrir una y, justo cuando sabemos qué guante contiene, por ejemplo, el izquierdo, automáticamente sabemos que la otra caja contiene el guante derecho.
Pero, esta analogía no requiere de ninguna “acción fantasmal a distancia”, ninguno de los guantes ha sido alterado por el observador, ambos fueron izquierdo y derecho desde un principio, lo único que se vio alterado fue nuestro conocimiento. Así que surgen preguntas tipo: ¿Cuál es la verdadera descripción realidad?, ¿Cómo se comprueba si algo es real, si algo está o no está allí sin mirar?, ¿Cómo miras detrás de la barrera, sin alterar la realidad?, bueno, John Bell llegó en el momento indicado para responder todas las preguntas, ideó una forma genial para resolver todos los problemas que la mecánica cuántica estaba causando, la idea de Bell consistía en que: Cada partícula envía señales secretas a la otra, a través del espacio y el tiempo, desafiando todo lo que sabemos, hay que aceptar que en el mundo cuántico, la realidad no se puede conocer. Bell redujo su idea en una sola ecuación matemática.
Esta ecuación debía ser verificada me manera experimental, incluso, cada teoría y cada pensamiento, necesita ser verificado con resultados reales, una simple idea reducida en una ecuación matemática no es suficiente, hacen falta cálculos que verifiquen todo lo que se ha planteado. En 1972, el físico teórico John Clauser, se realizó la primera prueba genuina de la mecánica cuántica, esta consistía en un cristal que convierte la luz láser en fotones que originan dos rayos muy precisos, luego se procede a medir una propiedad de los fotones, la polarización. Un monitor mostró los diferentes resultados obtenidos y, sustituyéndolos en la ecuación de Bell, se obtuvo un resultado inesperado para muchos, el genio alemán Albert Einstein era quien estaba equivocado, esto le dio la victoria a Niels Bohr. Los dos fotones con propiedades entrelazadas, no pudieron haberse elegido desde un principio, sino que, comienzan a existir sólo y cuando lo observamos o medimos.
Algo extraño vincula a los fotones a través del espacio y el tiempo, algo que no podemos explicar ni muchos menos imaginar, el único medio que tenemos son las ecuaciones matemáticas, lo más extraño es que los fotones solo son reales cuando lo observamos. Así que, podemos responderle a Einstein: La luna no existe cuando no la observamos. Sin duda, esto desafía el sentido común, es algo ilógico y completamente extraño, pero hay que tener paciencia y reconocer que así es la mecánica cuántica, en los niveles subatómicos las cosas no se comportan igual que en el macromundo, son escalas completamente diferentes regidas por leyes que no se asemejan en nada. Solo tenemos una cosa clara, existen las conexiones fantasmales a distancia, los universos paralelos, hacemos que la realidad exista por tan solo mirarla, cualquiera que sea la verdad, la rareza del mundo cuántico no va a desaparecer, es un completo misterio y lo será por décadas, quizás siglos.
Fuentes:
Por fin he terminado este post, me tomó mucho tiempo tratar de conseguir la infromación necesaria y poder organizarla de la mejor manera, espero lo disfruten y sobre todo, espero que entiendan de qué trata. La física es algo que me apasiona y, si hablamos de física cuántica, me animo a debatir, hablar, escribir y todo lo que sea necesario para poder divulgar este hermoso e interesante contenido.
(シ_ _ )シ me encantó, okay. Por un segundo pense que el entrelazamiento es una manera de romper la velocidad de la luz pero tecnicamente no lo haría. Si yo tengo una moneda en la tierra y otra persona tiene la "pareja" de esa moneda en el otro lado del universo, es cierto que si yo saco una cruz esa otra persona sacaría cara, pero eso no estaría enviando ninguna información, así que no se rompería la velocidad de la luz, creo. No estoy seguro.
Haha de todas maneras, @gonrgh me encantó tu post, había escuchado sobre este fenomeno -Interpretación de Copenhague- y algo parecido, sobre que cada vez que se observa una partícula está cambia, que no hay manera de observarla sin interferir en su existencia pero no lo tenía muy claro. Por cierto, te recomiendo usar el tag de stem-espanol y pasarte por ahí, es una comunidad muy chevere y apoyan a cualquiera que haga un buen post de ciencias.
@gonrgh nos leemos!
Me gusta tu analogía, pero recuerda, si algo sucede de manera instantánea es porque viaja a una mayor velocidad que la luz, pero... como tu dices, no se estaría enviando información aqui que, no estoy seguro de lo que trata :(, pero de lo que si estoy seguro es que todo esto es una locura xd.
Gracias por la recomendación, ya me paso. Nos leemos.