La revolución cuántica

Alberto Casas

Fragmento

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Introducción

La física cuántica es uno de los mayores triunfos intelectuales del ser humano, tal vez el más grande. Hablamos de la teoría que nos ha proporcionado más explicaciones satisfactorias de los hechos más diversos. ¿Por qué el cielo es azul y la hierba es verde? ¿Por qué los metales son buenos conductores del calor y la electricidad? ¿Por qué el agua hierve a 100 ºC? ¿Por qué arde la madera y no las piedras? La respuesta está en la física cuántica. Más preguntas: ¿Por qué los objetos se ponen rojos cuando se calientan? ¿Por qué el diamante es duro y frágil? ¿Por qué nos ponemos morenos al sol? ¿Por qué la resina es pegajosa? ¿Por qué hay sustancias radiactivas? ¿Por qué el hierro es más abundante que el oro? ¿Por qué brillan las estrellas?... Así podríamos seguir páginas y páginas, la lista de hechos familiares cuya explicación está en la física cuántica es interminable. Y esto vale también para cuestiones más profundas que subyacen a las anteriores: ¿Por qué hay elementos químicos y a qué se deben sus propiedades? ¿Por qué hay reacciones químicas y por qué son como son? ¿Por qué los objetos tienen colores? ¿Por qué la materia y la luz están hechas de partículas elementales?

A comienzos del siglo XX, cuando se empezó a desarrollar la física cuántica, todas las cuestiones anteriores eran un absoluto misterio. Hoy en día se explican rutinariamente en los libros de texto y las clases de los grados universitarios de física y química. La física cuántica subyace también a muchos procesos biológicos esenciales: la forma en la que los seres vivos almacenan información en el ADN y realizan copias del mismo, la función clorofílica que hace crecer las plantas, las señales nerviosas que recorren el cerebro y las que este envía al resto de los órganos, la sensibilidad a la luz de las células de la retina, etc. Indudablemente, la física cuántica ha aportado más a nuestra comprensión del mundo que cualquier otra teoría científica o filosófica de la historia. Pero antes de seguir en este tono triunfalista conviene avisar: la física cuántica no lo explica todo y las cuestiones más profundas siguen sin respuesta. De todo ello hablaremos en este libro.

El conocimiento de la naturaleza que ha proporcionado la física cuántica ha servido para que los humanos hayan aprendido a manipularla en su propio beneficio (a veces también en su contra). Esto ha dado lugar a una lista, también interminable, de avances tecnológicos. Toda la tecnología digital está fundada sobre la microelectrónica, desarrollada a partir de nuestra comprensión cuántica de la materia. Esto incluye ordenadores, smartphones, robots y cualquier dispositivo que contenga transistores o chips en su interior. Por supuesto, internet sería impensable sin ella. La física cuántica permitió también desarrollar el rayo láser y toda la tecnología asociada, incluyendo su aplicación en cirugía y la comunicación por fibra óptica. Otros avances extraordinarios genuinamente cuánticos son las luces LED, las cámaras digitales, el microscopio electrónico, los relojes atómicos (base, a su vez, del sistema de geolocalización GPS) e importantes métodos de diagnosis en medicina, como la imagen por resonancia magnética. En resumen, la física cuántica ha desencadenado la revolución tecnológica y social en la que estamos inmersos, y desde el punto de vista económico, es seguramente la idea abstracta más productiva de todos los tiempos.

Pero ¿qué es la física cuántica? El adjetivo «cuántico» aparece a menudo en los medios de comunicación, normalmente para describir de forma coloquial algún hecho asombroso o desconcertante; por ejemplo, se habla de un jugador de fútbol «cuántico» porque parece estar en dos sitios a la vez, o se invoca el famoso «gato de Schrödinger», simultáneamente vivo y muerto, para describir una realidad paradójica. Más allá de este uso informal, la física cuántica suele emplearse como paradigma de teoría científica abstrusa e incomprensible, o para aludir a misteriosas tecnologías del futuro como la computación y la criptografía cuánticas. En general, las referencias son vagas y confusas, como si la comprensión de la física cuántica estuviera reservada a especialistas. A veces, incluso, se levantan sospechas de que, tras la jerga científica, se oculta una teoría ambigua e imprecisa, que roza lo esotérico y que realmente no explica nada.

Lo primero que hay que decir es que la física cuántica es una teoría sobre cómo funciona la naturaleza, perfectamente consistente y bien formulada, sin ambigüedades ni contradicciones. Todos los científicos del mundo llegan a idénticos resultados cuando aplican la teoría cuántica a la descripción de un fenómeno. Sin embargo, la física cuántica tiene dos problemas para su comprensión en un ámbito no especializado. El primero es que su formulación precisa requiere conceptos matemáticos de cierta sofisticación: números complejos, espacios de Hilbert, operadores hermíticos, ecuaciones de autovalores, etc. No obstante, como esperamos que ilustre este libro, esos requisitos matemáticos no son imprescindibles para entender la esencia de la teoría, el significado de sus postulados y sus consecuencias más importantes. El segundo problema es que la física cuántica es profundamente contraintuitiva, parece chocar frontalmente con nuestro sentido común, y eso supone una dificultad para entender su lógica y su coherencia. Pero en realidad, más que un problema, esto supone un desafío apasionante para la inteligencia. Más allá de sus éxitos para explicar fenómenos físicos concretos o para desarrollar magníficas tecnologías, la física cuántica nos ofrece una perspectiva revolucionaria de la realidad; una perspectiva extraña y fascinante, incluso inquietante. Y también nos señala misterios profundos que aún no comprendemos. Como decía Niels Bohr, «quien no se haya sentido impactado por la teoría cuántica es que no la ha comprendido».

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Una pepita de oro

En 1848, un capataz llamado James Marshall construía junto a sus hombres un aserradero propulsado por agua junto al río de los Americanos, en California. Inesperadamente, hicieron un hallazgo sensacional: unas brillantes pepitas de oro en el conducto de desagüe. Marshall informó rápidamente de ello a su patrón, el pionero suizo John Sutter, quien, en contra de lo que podría esperarse, no se alegró de las novedades. Sutter tenía planes de establecer un emporio agrícola en la zona y temió que la aparición del oro lo echara todo a perder; por ello, intentó mantener en secreto el descubrimiento. Sin embargo, el rumor de la noticia se extendió. Fue el comienzo de la fiebre del oro de California, que atrajo a cientos de miles de buscadores de fortuna (los cuales, efectivamente, casi destruyeron la propiedad de Sutter). Los buscadores no se limitaron a explorar las arenas del río y sus alrededores, sino que siguieron la corriente hacia arriba en busca del gran yacimiento del que se desprendían aquellos pequeños tesoros. Ese yacimiento fue encontrado unos años después, siendo bautizado como la

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