Cien años de mecánica cuántica

Congreso histórico de Solvay (1927)

Aunque se cumple un siglo desde el descubrimiento de la mecánica cuántica, no fue hasta 1925 cuando, de la mano de grandes físicos como lleísenberig, Eínstein, Schródinger y Paul Dírac, emergió una teoría extraña pero profundamente eficaz y de enorme utilidad para el hombre, que está culminando en la nueva copa de computación informática. El doctor en Física y presidente del CSIC, Rolf Tarrach, analiza la evolución teórica de este hito científico.

El 14 de diciembre se ha cumplido el primer centenario de la presentación del trabajo de Max Planck con el que dio comienzo la revolución científica más profunda y sorprendente de este siglo: la mecánica cuántica. Planck, introduciendo la hipótesis de discretización de la energía electromagnética, consigue explicar en detalle la radiación de los cuerpos debida sólo a la temperatura a la que están. Conviene recordar, antes de que se pregunte sobre la utilidad de la teoría, que uno de los problemas más serios con los que tendrá que enfrentarse la humanidad pronto, el calentamiento de la Tierra (probablemente con componente antropogénico), es debido a un desequilibrio entre el calor producido inevitablemente por la actividad humana, y el eliminado por radiación por la Tierra debido a su temperatura y que se vierte al espacio interplanetario.

Son Albert Einstein y Niels Bohr los que, tomándose en serio la hipótesis de los cuantos de Planck, empiezan a comprender las sutilezas de cómo la luz interacciona con la materia, o lo que es lo mismo, los fotonos con los átomos, y cómo éstos emiten y absorben radiación electromagnética, es decir, luz, infrarrojo, microondas, ultravioleta, rayos X, etc. Aquí no parece necesario recordar que este conocimiento es útil para el hombre.

La mecánica cuántica eclosiona hacia 1925-26 de la mano de Heisenberg, Erwin Schrüdinger, Paul Dirac y otros jóvenes físicos. Lo que emerge es una teoría extraña, profunda y antiintuitiva, fuertemente epistemológica, inmensamente bella, increíblemente eficaz, que explica los núcleos y los átomos, las moléculas y las reacciones químicas, las propiedades de la materia, la estabilidad y dinámica de las estrellas, etc., y que nunca ha sido refutada por ningún experimento u observación. El mundo de hoy, sin la mecánica cuántica, sería radicalmente distinto, algo de lo que casi nadie es consciente.

La revolución informática empieza con la descripción cuántica de un semiconductor, que luego da lugar a los transistores, que son los componentes de los chips. Y sólo la mecánica cuántica permite entender los semiconductores. Los láseres, aunque no se vean, son ubicuos. Son fotones en un mismo estado cuántico y sólo la mecánica cuántica explica por qué los fotones tienen una fuerte tendencia a ponerse todos en el mismo estado cuántico. Las resonancias magnéticas nucleares son importantísimas en el diagnóstico médico. Son una aplicación sencilla de la interacción de una magnitud cuántica de los núcleos, el spín, con un campo magnético. En neurología se empiezan a utilizar más y más las tomografías por emisión de positrones. Los positrones son a la antimateria lo que los electrones son a la materia. Así la antimateria está al servicio del enfermo, y la antimateria fue una predicción de la mecánica cuántica, consecuencia inevitable de hacerla compatible con la realidad.

Estamos en los albores de una nueva revolución, con consecuencias tecnológicas insospechadas: la revolución nanotecnológica. La microciencia parte de lo grande, dominada por las leyes de la física clásica, y procede por miniaturizazión hacia lo microscópico. La nanociencia frecuentemente seguirá el camino contrario; partiendo de los átomos, del mundo cuántico, procederá por agregación a la construcción de macromeléculas, nanoinstrumentos y otros componentes de dimensiones lineales un millón de veces más pequeñas que una mano. Esa revolución no es posible fuera del marco de explicación dada por la mecánica cuántica y sin los instrumentos, como el microscopio de efecto túnel, basadas directamente en fenómenos cuánticos. Y se empieza a vislumbrar la posibilidad de otra revolución, la cuántico-informática, basada en la manipulación de la información según las leyes cuánticas, y que puede tener consecuencias inimaginables en la solución de problemas muy complejos, algunos de ellos de gran interés comercial, como la codificación secreta. Y luego vendrá lo más interesante, lo no buscado, la siguiente sorpresa cuántica.

¿Es la medicina cuántica una teoría final, definitiva, o es una teoría efectiva, excelente para explicar todo lo observado y medido hasta hoy en día, pero que fallará en el futuro, cuando la tecnología permita someter a la naturaleza a nuevas observaciones efectuadas a escalas aún más pequeñas que las accesibles actualmente? La respuesta no la sabe nadie. De momento nada contradice a la mecánica cuántica, pero la interacción gravitatoria en su forma más elaborada y precisa, la relatividad general de Einstein, es difícilmente compatible con los postulados de la mecánica cuántica. Lamentablemente, puede ocurrir que este problema, que hoy en día sólo se plantea de un modo teórico, siga siendo un problema cuando se celebre el segundo centenario de la mecánica cuántica, ya que la solución, probablemente, requerirá datos, observaciones o experimentos a distancias billones de veces más pequeñas que las alcanzadas hoy en día. Salvo que algún joven investigador tenga alguna idea extraordinaria...

En este mundo ahogado en la información, ¿cómo es que casi nadie sepa casi nada de la revolución científica del siglo XX más profunda y más determinante de nuestro mundo actual? Quizá sea un problema de formación, o acaso de dificultad, pero es una pena que la sociedad no disfrute más con algo tan relevante para nuestra actualidad tecnológica y, a la vez, tan irreal, tan sorprendente y provocador como el mundo de los fenómenos cuánticos.