¿Qué demonios es eso de la física cuántica?

Uno de los “cuentecitos” más famoso es el gato de Schrödinger, del que ya os hemos hablado aquí en detalle. En un principio, este juego mental fue concevido para mostrar lo poco intuitiva que es la física cuántica, pero desde entonces se ha convertido en un forma cómoda de dar un cierto sentido práctico y cotidiano a la física cuántica.

Antes de meternos en detalle a explicar las peculiaridades de la realidad que subyacen bajo este experimento mental, hay que dejar claro que este artículo no sustituye a un curso de mecánica cuántica, ni de lejos. La física cuántica es tan rara que no es posible entenderla ni tras varias décadas de riguroso estudio físico y matemático. Lo que sí conseguiremos con este post, es aclarar hasta qué punto el gato de Schrödinger es un metáfora válida. Prepárense para quedarse anonadados de cómo es la realidad.

La física cuántica del gato de Schrödinger

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El gato de Schrödinger nos explica cómo en el mundo cuántico todas las posibilidades están acopladas y pasan a la vez, hasta que observamos. En un principio esto parece más filosfía que física pero este efecto es medible, como veremos más adelante. Esto no significa que como no vemos algo, puede darse cualquier opción sino que realmente el gato está vivo “y” muerto, a la vez.

Aquí ya nos aparece uno de los conceptos peor interpretados de la física cuántica: la observación. Observar algo no significa mirarlo con nuestros ojos, sino que tiene un significado mucho más amplio. Observar algo en física cuántica significa hacerlo interaccionar con cualquier sistema que no se comporte de forma puramente cuántica, algo que le obligue a tomar una decisión sobre su estado real. Esto puede ser mirarlo con nuestros ojos o puede ser poner un detector o un sistema que dependa del estado concreto de lo que “observamos”.

La doble rendija de Young, el MINDFUCK definitivo

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Este famoso experimento es el estándar para determinar si algo se comporta como partícula o como onda. Su disposición es muy sencilla, se trata de dos rendijas separadas una cierta distancia a las que se bombardea con luz o con otro tipo de partículas. Si el “proyectil” se comporta como partícula veremos una imagen de las rendijas al otro lado; sin embargo, si se comporta como onda, veremos un patrón de interferencia de lo más curioso.

Cuando iluminamos estas rendijas con partículas subatómicas, como electrones, el patrón varía en función de nuestra acción. El comportamiento de onda implica deslocalización, que es el término que se usa en física cuántica para hablar de algo que se encuentra en varios lugares o estados a la vez y el de partícula sólo se observa cuando la posición de la partículas es bien conocida. Para que una partícula tenga comportamiento de onda, ésta debería pasar por ambas rendijas a la vez.

Lo que podéis observar en el vídeo no es sólo una simulación, el resultado es real y se ha medido en el laboratorio con mucha precisión. Si dejamos los electrones pasar libremente por las rendijas, estos forman un patrón de difracción propio de ondas. Este patrón se da en las ondas, porque una onda pasa por ambas rendijas e interacciona consigo misma, dando lugar a la difracción. Pero esto no resulta creíble, así que colocamos un detector en las rendijas para saber por cuál pasa el electrón… y el patrón de difracción desaparece; el electrón cambia su comportamiento en función de la medición.

Un ejemplo práctico en física cuántica

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Lo que este experimento nos demuestra es que por mucho que nos cueste entenderlo, el electrón (o cualquier otra partícula cuántica) se encuentra en múltiples sitios a la vez, hasta que le obligamos a “escoger” uno. Matemáticamente esto se entiende mediante la función de onda de la partícula, que no es más que representación de la onda asociada a la partícula. Cuando forzamos esta onda (inicialmente ocupando muchos lugares o estados) a tener una posición y estado concretos, ocurre lo que se llama “colapso de la función de onda”

Por qué ocurre este colpaso es uno de los mayores misterios de la física cuántica, pero sabemos a ciencia cierta que ocurre. Esto en el mundo real tiene muchas implicaciones y muy pocos símiles con los que poder explicarlo de forma comprensible. Para ello vamos a un ejemplo concreto y reciente, como el del nuevo estado del agua. Como ya explicamos hace un par de días este estado se caracteriza por la deslocalización de los protones, que están en 6 sitios a la vez.

La forma estricta de entender esto en física cuántica es mediante una función de onda que se extiende por todos los puntos donde puede haber un protón, pero eso es demasiado abstracto y matemático para nosotros. Otra forma de entenderlo es que hay 1/6 de protón en cada uno de los vértices posibles y que cuando miramos, como no hay fracciones de protones, solo encontramos uno entero en una de las posiciones. La forma más práctica y correcta de entenderlo es mediante probabilidades, existe una probabilidad 1/6 de que el protón esté en cada vértice, igual que existe 1/6 de probabilidad de que un dado caiga con el número 4 hacia arriba.

Pero la realidad es caprichosa, la única forma correcta de entender esto es sabiendo que el protón está en los 6 sitios a la vez y que cuando miramos, solo se materializa en uno. No es fácil, no; para nadie. En palabras de un premio Nobel en física cuántica:

“Si crees entender la física cuántica, es que no te has enterado de nada”