¿Os acordáis de cuando llegabais a los temidos exámenes de matemáticas? Imaginad que el profesor hubiera llegado con los enunciados de los problemas y, una vez repartidos, os hubiera dicho algo así como; delante vuestro tenéis una serie 5 de problemas. Con que hagáis tres basta porque, de hecho, sólo 3 tienen solución. El tiempo empieza… ¡YA! ¡Menudo estrés! ¿A cuáles dedicas tu tiempo?

Eso es algo que le pasa a los matemáticos, lo llaman teorema de la incompletitud de Gödel y tiene mucho con que en el enunciado se hable del propio problema. Si yo digo; “Siempre miento”, además de dejar de leer el blog ipso facto, ¿podréis decirme si es cierto o falso? Si siempre miento, la afirmación debiera ser falsa. Pero, de ser verdad, debería mentir siempre.

Esto, que en este caso parece muy obvio, no siempre tiene por qué estar tan claro. Tiene mucho que ver con una cierta autorreferencia en el enunciado. Lo que los informáticos llaman (y tanto temen) recursividad. Mmmm… A los informáticos seguro que les ha recorrido un escalofrío todo el cuerpo.

Pues por si los informáticos y los matemáticos se sentían solos, a los físicos les pasa algo parecido con lo que se conoce como principio de incertidumbre o indeterminación. Y si ya altera la idea de que no todos los problemas puedan ser resueltos, cosa que acaba con la esperanza científica de explicarlo todo, lo que les pasa a los físicos es aún más doloroso.

Pensad que, para explicar lo que un objeto (o partícula) va a hacer en un futuro próximo, bastaría con saber su posición y su velocidad. Me explico. Si yo sé dónde está un coche y la velocidad que lleva, podré calcular cuánto tardará en llegar a un cierto punto.

Y un día Heisenberg, un gran físico cuántico, se dijo; vale, entonces, quiero saber la posición de un electrón para poder predecir qué va a pasar con una partícula en concreto. Pero, ¿cómo? Un electrón es algo muy pequeño. Imagina que, para verlo, lanzamos un fotón (la unidad mínima de luz posible). El problema es que, aunque el fotón sea pequeño, el electrón también lo es. E, inevitablemente, lo desplazaremos y variaremos su velocidad.

Es como si tuviéramos una canica que, para verla, sólo tenemos la opción de lanzar otra y que choque contra ella. Está claro que la canica de la que queremos saber la posición y velocidad verá variada tanto la velocidad como la posición. Y la solución no pasa por mejorar nuestras máquinas porque no tiene nada que ver con la sensibilidad de estas, sino con cómo es la materia. Porque el observador altera lo observado. Ya vimos un ejemplo de esto, ¿no?

Es un cambio enorme en la forma de entender la física. Hasta el s. XX, la física había sido determinista; sabiendo la posición y la velocidad del coche y podíamos determinar dónde estaría pasado un tiempo. Pero ahora es probabilística, porque lo más que sabemos es con qué probabilidad está una partícula en un punto.

Además de dar un vértigo horrible desde el punto de vista intelectual, el principio de indeterminación permite cosas increíbles. Un fenómeno curioso es que impide que haya un sólo punto en el Universo vacío, libre de partículas. ¿Por qué? Porque este principio sólo nos permite saber la probalidad de lo que hay, pero restringe la certeza. Y, de haber un punto vacío,sabríamos lo que hay (nada). Por tanto, no es posible.

Recuperemos al profesor de matemáticas, pero esta vez dando clase de física (era típico que el profesor de ciencias repitiera en alguna asignatura). Llegaba a clase y, sin decir nada antes, soltaba; “a ver, problema; lanzamos una pelota desde un sexto piso. Cuando bote, ¿a qué altura llegará?”. Y entonces cometías aquel error imperdonable de que la energía no fuera igual al principio que al final. Y tocaba escuchar aquel peñazo de frase; “niño, la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Pues eso es porque tu profesor no conocía las partículas virtuales, que se distinguen de las reales básicamente porque se dedican a saltarse a la torera todas las leyes de conservación, entre ellas la de la energía. El problema es que tienen una vida tan corta que, por culpa del principio de indeterminación, no somos capaces de detectarlas (aunque sí podemos medir sus efectos).

Años después de salir del colegio, cuando descubrí esto, me quedé con las ganas de volver al colegio y decirle a aquel profesor, que en mi caso tiene nombre y apellidos, que mi pelota era virtual y que, por eso, no sólo no cumplía la ley de conservación de la energía sino que, además, era imposible saber a qué altura había llegado. Sí, me hubiera echado de clase, pero me hubiera quedado tan a gusto…

El otro día, hablando con Amaia de yunu, me pidió que le explicara el experimento ese que en el que un electrón acaba pasando por dos sitios a la vez. Intenté explicarlo, pero no sé hasta qué punto lo conseguí.

Se conoce como el experimento de Young, el nombre de un tipo de hace más de 200 años. Poco antes, Isaac Newton, probablemente el físico más importante de toda la historia, había impuesto cátedra en casi todo. Supongo que por eso a todas las organizaciones pseudo secretas les encanta decir que era su gran jefe en aquella época.

Entre muchas otras cosas, Newton decía que la luz eran un montón de particulitas y como buenas partículas viajaban en línea recta (en algún momento entrará aquí un físico y me va a poner de vuelta y media. En fin…). Pero la cosa es que, en aquella época, algunos defendían que la luz eran ondas. Y ya sabéis lo que pasa cuando tiráis una piedra a un lago, que las ondas viajan en todas las direcciones y, además, interfieren entre ellas, es decir, que cuando se cruzan, o se suman (y la ola se hace más grande) o se anulan (y la ola desaparece).

Y ahí llega Young, más chulo que un ocho, proponiendo un experimento que daría la respuesta definitiva; ¿es la luz una partícula o una onda? Sé que es largo, pero lo bueno, como en una buena peli, llega al final. Así que aguantad un poco.

Se le ocurrió la siguiente solución. Proyectamos luz sobre una pared con dos rendijas que dan a una habitación oscura. ¿Qué pasará si son partículas? Pues que en la pared de enfrente obtentendremos dos franjas de luz, porque hemos dicho que las partículas se desplazan en línea recta.

Pero, en cambio, si son ondas… ¡Ah, amigo! Si son ondas, estas se desplazan en todas las direcciones y, además, interfieren. Así que lo que veremos en la pared de enfrente serán franjas de luz y franjas de oscuridad.

Así que montó el circo con sus amigos en la Royal Society que, por cierto, montó él con otros, y observaron lo que pasaba. ¿Y qué fue? Pues que el bueno de Young tenía razón.

Desde entonces hasta principios del s. XX la cosa quedó clara. La luz es una onda y se comporta como tal. Pero el problema es que la realidad es muy tozuda. Y muchos experimentos entraban en contradicción con esa forma de entender la luz. En especial en química, donde en muchos casos, la luz parecía empeñarse en comportarse como una partícula.

Así que Gilbert N. Lewis le puso nombre a la criatura (fotón), y Planck lanzó una hipótesis según la cual la luz sólo interacciona con la materia en cantidades discretas. Eso no quiere decir que la luz sea vergonzosa, sino que lo hace en intensidades concretas. Es como si la luz llegara en paquetitos (los físicos lo llaman cuantos). Tú puedes tener un paquetito o dos, pero nunca 1 y medio. Y claro, eso parece más propio de las partículas que de las ondas.

Total, que Claus Jönsson decidió que había que repetir el experimento de Young. Eso ya fue en 1961, por si alguno piensa que hablo de algo antiquísimo, y se hizo con electrones. Y, en este caso, se añadió algo al experimento. Se hizo pasar a los electrones por una sola rendija. Si Young estaba en lo cierto, lo que se hubiera obtenido es un punto de mucha luz en el centro de la pantalla y luego, poco a poco, a izquierda y derecha la luz hubiera ido reduciendose. Claro, era una onda…

Pero lo que se obtuvo fue una sola franja de luz, ¡lo que indicaba que eran partículas!

En este punto los físicos ya aceptaban que las partículas tenían una doble naturaleza; por un lado de las de onda y por otra la de particula, sin entender muy bien el por qué. Y en un alarde de querer comprender esta locura se dijeron; lo que aquí está pasando cuando ponemos 2 rendijas es que, como lanzamos tantos electrones, unos pasan por una rendija y otros por otra y, pasada la rendija, entonces actúan como onda, interfieren y pasa lo que pasa. Dicho con otras palabras; pensaron que antes de la rendija se comportaban como partículas y después de la rendija se comportaban como ondas.

Solución; ¿Por qué no lanzamos los electrones de uno en uno? Entonces no tendrán con quien interferir y, necesariamente, veremos cómo los electrones generan sólo dos franjas o, lo que es lo mismo, se comportarán como particulas. O sea, esto;

Y llegamos a lo bueno… A los físicos se les quedó cara de boniato cuando vieron que, en realidad, los electrones lanzados uno a uno, volvían a interferir. Es decir, que seguían obteniendo lo de esta imagen;

Pero, ¿con quién interferir si cada electrón viajaba solo? Sólo podían interferir… ¡consigo mismos! Y ello llevaba a una conclusión necesaria. ¡El electrón debía pasar por las dos rendijas a la vez!

¡Eso no podía ser! Pero los físicos, que como buenos humanos pensaban que eran los más listos del parque, se dijeron; vamos a tomarle el pelo a los electrones estos. Muy bien, vamos a observar justo antes de la rendija si, antes de entrar, se están comportando como particulas o como ondas. Y el experimento se repitió.

Y sucedió algo mágico, casi maravilloso pero, a la vez, aterrador. El electrón sólo pasaba por una de las dos rendijas. Pero cabía esperar que, cuando alguien mirara a la famosa pared donde chocan los electrones, el resultado fuera el mismo que en la vez anterior. Pero no. Esta vez aparecían las 2 franjas que esperaron cuando lanzaban los electrones uno a uno. Pasada las rendijas, se estaban comportando como partículas.

Y ese es uno de los resultados más increíbles de la física, al menos para mí. Es como si el electrón supiera que alguien le observa, lo cual parece absurdo. O no… En realidad, lo que quiere decir es que el observador afecta al resultado del experimento. Es de las cosas más bellas que he tenido la oportunidad de conocer porque me abruma.

Estoy seguro que, si habéis llegado hasta aquí, estaréis de acuerdo conmigo en lo mágico que resulta todo. Alguno puede pensar que esto es un rollo de los físicos para pasar el rato pero que la realidad no es así. Mirad este vídeo. La primera parte es un ejemplo de esto.

Y para acabar, os dejo un vídeo que explica todo esto de forma genial para niños sin tanto rollo histórico. Es de donde he sacado las imágenes. Vale mucho la pena y deja las ideas muy claras.

Mis queridos amigos, bienvenidos al misterioso mundo de la mecánica cuántica.