Alberto Lacasa

Una de las paradojas más curiosas de la ciencia es la paradoja del gato de Schrödinger aunque, para entenderla, tenemos que recapitular un poco. Así que voy a ello.

Si os acordáis, ya había hablado del principio de indeterminación, según el cual, una partícula no está en ningún sitio en concreto sino que tiene una probabilidad de estar en ese sitio en concreto. Dicho con otras palabras; las partículas están en diversos sitios a la vez. Eso también se da con otras propiedades medibles de las partículas (energía, posición…).

Pero, ¿cómo puede una partícula tener, a la vez, varias energías, posiciones…? A escala cuántica (o sea, muy pequeña), las partículas se comportan como ondas. Y las ondas pueden superponerse, como vemos con las olas del mar cada vez que vamos a la playa. A esa superposición de «estados», se le conoce como superposición cuántica.

Sí, ya sé que eso es impensable pero recordad que el mundo de lo más pequeño funciona con unas reglas completamente diferentes a las nuestras. Y no olvidéis las cosas curiosas que nos pasaban cuando veíamos el experimento de Young, sólo por el hecho de nosotros estar ahí observando. La conclusión era que el observador afecta a las mediciones.

Pero todo esto es profundamente perturbador. Si las partículas pueden estar en varios sitios a la vez y una pelota de baloncesto está constituído por partículas; ¿por qué las pelotas de baloncesto no están en varios sitios a la vez?

Para tratar de explicar todo esto, Schrördinger, en los años 30, propuso este experimento imaginario. Colocamos a un gato dentro de una caja opaca, que no podamos ver su interior. Con el gato colocamos un recipiente con veneno. Y además, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse en la próxima hora que, en caso de hacerlo, activaría un dispositivo que rompería el recipiente envenenando al gato.

Con lo cual, la vida del gato depende de si esa partícula radiactiva es emitida o no. Pero es que ya hemos visto que, según la mecánica cuántica y la superposición cuántica, esa partícula puede haber sido emitida y a la vez, no emitida. Luego, la vida del gato toma propiedades cuánticas y el sistema (todo el conjunto gato+recipiente+partícula) tiene aspectos del gato vivo y del gato muerto. Sobre el gato en concreto no podemos decir nada.

Pero, ¿qué pasa cuando abrimos la caja? En el momento en el que nosotros intearctuemos con el interior de la caja, hasta ahora aislado, el gato tomará uno de esos estados; o vivo, o muerto. Pero, ¿tiene sentido todo este galimatías?

Intentando ser muy intuitivo; la idea es que una partícula, cuanto más aislada está de su entorno, más cuántica es su mecánica. En esa situación, las propiedades de la partícula son «puramente» cuánticas. Se dice entonces, que la partícula está en un estado coherente.

En cambio, cuando esa partícula tiene un entorno, cuando introducimos nuevas partículas en el sistema, esta empieza a interactuar y la partícula ya  se muestra en un estado en concreto. Ese proceso es el que se conoce como decoherencia.

¿Significa esto que todo esté ligado al azar? Me explico. Imaginad que observamos una partícula y, por este hecho, la partícula toma un estado cuántico concreto. Ahora dejamos de observarla y vuelve a su coherencia, es decir, con superposición de diversos estados. Y volvemos a mirarla. ¿Presentará ahora un estado diferente?

A Einstein, que no le gustaban nada los principios de la mecánica cuántica, como crítica decía que; «Dios no juega a los dados». Pero Stephen Hawking lo explica de maravilla en su libro «El mundo en una cáscara de nuez».

Imagina que tienes un casino. Y propones el siguiente juego; los jugadores tiran un dado con 6 caras. Si sale un número entre el 1 y el 5 ganas tú. Si sale el 6, él. En una tirada en concreto puedes perder. Pero una vez realizadas 1000 tiradas, sí que sabemos que, probablemente, la inmensa mayoría de las veces ganarás tú.

Con el principio de incertidumbre y la decoherencia de la pelota de baloncesto de la que empezamos hablando pasa lo mismo. Es tan grande la probabilidad a favor de que no pasen cosas «extrañas» y tantas las «tiradas» que, desde nuestro punto de vista «clásico», no van a suceder.

Espero haber sido lo más «claro» posible, teniendo en cuenta lo abstracto del tema. Por supuesto, si entra algún físico y quiere puntualizar/corregir cosas, estaré encantado. 😉
Por cierto, no sé si ayuda a que se entienda, pero hay una secuencia genial en la serie de humor The big bang theory que habla sobre este tema. Para los que no hayáis visto ningún episodio va de 2 superdotados (y sus amigos) que comparten piso. En frente llega una nueva vecina, de la que uno de los dos está enamorado. Así que ella pide consejo al otro y… mirad lo que pasa…

Cada post que pasa, imagino que debéis pensar que el Universo es realmente complejo. Hay multitud de casuísticas y aparecen distintas formas de interpretar la realidad que hacen intuir multitud de variantes que controlan el Universo.

En realidad, las fuerzas fundamentales del universo no son tantas y, la mayoría rigen el Universo de lo más pequeño. De hecho, son seguro cuatro y podría sumarse una más.

Pero antes de repasarlas, creo que es importante primero explicar antes cómo se comportan esas fuerzas. Trato de explicarme; Nosotros sabemos que el Sol y la Tierra se atraen mutuamente. Eso parece claro y, además, somos capaces de calcular con qué intensidad se produce esto sabiendo las masas y la distancia que las separa. Pero la pregunta es; ¿qué hace que el Sol y la Tierra se atraigan? O sea, si no se tocan, ¿cómo demonios pueden provocar uno efecto sobre el otro?

Y eso nos lleva a la siguiente reflexión. La física cuántica propone que existen un buen puñado de partículas; es lo que se conoce como modelo estandar. No voy a enumerarlas todas porque resultaría muy pesado, ni siquiera los grandes grupos. Si estáis interesados, clicad en el link de la wikipedia. Pero sí voy a hacer un breve resumen y luego entenderéis por qué, hablando de fuerzas, he acabado en las partículas.

En el colegio todos estudiamos que los átomos están constituídos por 3 subpartículas; 2 en el núcleo (neutrones y protones) y 1 orbitando alrededor del núcleo (electrón). Lo que no nos explicaron es que neutrones y protones están, a su vez, constituídos por otras partículas conocidas como quarks, aún más pequeñas y, por tanto, energéticas. Y, entre estas partículas, sin entrar en muchos detalles, pasa algo parecido a lo que sucede entre protones (de carga positiva) y electrónes (de carga negativa); algunas se atraen y otras se repelen.

Pero aún hay otro tipo de partículas y tienen una característica curiosa; no son detectables, y no tienen peso. En cambio, sí podemos medir sus efectos y por eso sabemos que existen. Voy a poner un ejemplo de partícula bastante conocida y que forma parte de este grupo; los fotones. La luz se transmite mediante fotones, pero los fotones no tienen peso y, en algunos casos, no podemos detectarlos, aunque notamos sus efectos.

Y aquí, amigos míos, llega la relación entre estas partículas y las fuerzas del universo. Porque precisamente esas partículas son las responsables de las fuerzas que rigen el universo. Como digo, no podemos detectarlas, pero sus efectos son evidentes. Pero, ¿cuáles son esas fuerzas?

– Fuerza gravitatoria; Qué decir de ella que ya no se haya dicho. Es la causante de que los cuerpos se atraigan mutuamente y es la que domina el Universo a gran escala. Parece ser que, cuando dos planetas se atraen están enviándose mutuamente unas partículas que conocemos como gravitones.

– Fuerza electromagnética; Es la fuerza que permite la electricidad que ilumina nuestras casas y el magnetismo de los imanes. La partícula que se encarga de esto es la misma responsable que la luz; el fotón. En el fondo, es la que mantiene a los electrones orbitando alrededor del núcleo del átomo, así que es la que gobierna a escala atómica.

– Fuerza nuclear débil; Esta es algo difícil de explicar sin entrar en algunos detalles de cómo están constituídas las partículas. En todo caso, sus efectos son conocidísimos, porque es la responsable de la radiactividad. Y la partícula responsable tiene un nombre horrible; Bosón de Gauge.

– Fuerza nuclear fuerte; En el colegio nos explicaban que electrones y protones se atraen y que un protón con un protón se repelen. ¿Nunca os habéis preguntado cómo puede ser entonces que los protones del núcleo del átomo no se repelan? Los protones del núcleo se repelen por culpa de la fuerza electromagnética. Pero a distancias muy cortas, domina otra fuerza que decae muy rápido a la que te separas un poco y que las mantiene unidas. Las responsables son una familia de partículas; los gluones.

– En los últimos 20 años nos hemos dado cuenta de que el Universo cada vez se expande más rápido, que parece ilógico si pensamos que la gravedad prococa atracción. Las explicaciones pueden ser 2; o hay una quinta fuerza que a distancias enormes domina sobre la gravedad, o no entendemos suficientemente la gravedad y, a grandes distancias, tiene un efecto contrario al que tiene a cortas.

El mundo de las subpartículas es apasionante. Yo he dicho que las subpartículas que estudiamos en el colegio están constituídas por otras subpartículas aún más pequeñas. ¿Cómo saber, entonces, que hemos encontrado las más pequeñas? Los estudios de Planck con los «paquetes» de luz, también concluían que espacio y el tiempo… sí, también van en pequeños paquetes.

Es como en el cine, que nos pasan 24 fotogramas cada segundo. Parece que hay continuidad, pero sólo lo parece. El tiempo de Planck (el más corto posible) es, más o menos, 10^-43 seg. (0 sea, 0,00000000000000000000000000000000000000000001 seg.) y la distancia de Planck 10^-35 m. (o sea, 0,000000000000000000000000000000000001 metro).

Esto se traduce en que hay un límite para las partículas más pequeñas. Además, hay otra regla y es que, cuanto más pequeña es una partícula, más energética. Llega un momento en el que, si esa partícula es demasiado pequeña, tiene tanta energía que acaba por implosionar y formar un micro-agujero negro. ¿No recordáis que cuando abrieron el CERN salieron unos cuantos agoreros diciendo que esa máquina destruiría el mundo? Se estaban refiriendo a eso. En su ignorancia, no sabían que esos agujeros negros tan pequeños se autodestruyen en seguida.

Como último apunte al modelo estandar, comentar que sólo falta por encontrar 1 partícula; el bosón de Higgs, que es el responsable nada menos que de la masa. Es apasionante porque deberíamos ser capaces de encontrarla gracias al acelerador del CERN. Si lo encontramos, el modelo podría ser completo. Si no, el modelo de partículas se cae. Y abriría la puerta a un nuevo conocimiento. Por eso muchos desean no encontrarlo y hallar, a cambio, otras cosas.

En todo caso, una de las áreas del conocimiento más interesantes y desconocidas.

Aunque alguna vez de rebote ha salido, hasta ahora, en la serie de posts de física, siempre he hablado de fenómenos donde, lo que cuenta, son cosas enormes como galaxias, agujeros negros, agujeros de gusano, estrellas… Es el reino de la relatividad.

Pero, en realidad, el universo está constituído por partículas muy pequeñas. Y, si en algún momento os costó imaginaros las cosas que iba contando porque os parecían poco intuitivas, el reino de lo más pequeño es absolutamente imposible de comprender.  Es el reino de la mecánica cuántica.

Dijo Richard Feynman, uno de los físicos cuánticos más relevantes; «Recuéstese y disfrute de lo que le voy a contar. Pero no pregunte de ninguna manera por qué es así, porque entonces se pierde en una calle de la cual ningún ser humano ha vuelto sano». Así que os invito a hacer justo eso.

A finales del s. XIX, Maxwell investigó los campos eléctrico y magnético e hizo algo importantísimo; juntar los dos conceptos y desarrollar lo que hoy conocemos como electromagnetismo. Pero su teoría tenía algunos problemas…

Hay un objeto teórico que a los físicos les va a las mil maravillas para ciertos experimentos; los cuerpos negros. No, no estoy hablando de la Naomi Campbell. Como sabéis, el negro es ausencia de color. Para que algo sea de color negro ha de absorber toda la luz que incide sobre él. Pues un cuerpo que absorba toda la radiación electromagnética (que incluye la luz) es lo que se denomina cuerpo negro.

Pero cuidado, que absorba toda la luz que incide sobre él, no quiere decir que no emita radiación. Ese cuerpo tendrá una cierta temperatura y el calor también es una radiación electromagnética (como el color). Igual que cuando calentamos un hierro cambia de color, un cuerpo negro a suficiente temperatura, tomaría un color. Así que un cuerpo negro no tiene por qué ser negro.

¿Y para qué demonios les sirve esto a los físicos? Pues se utiliza, por ejemplo, para estudiar las estrellas si les basta una mala aproximación. Los agujeros negros se comportan así. Y la radiación cosmológica de fondo (de la que ya hablamos) es un cuerpo negro casi perfecto.

Total, que cuando el bueno de Maxwell calculaba la radiación de un cuerpo negro le salía infinita. Y ya se veía que eso no podía ser. Pero unos años después, otro físico, Max Planck, descubrió cómo solucionar ese problema. Maxwell estaba suponiendo que la luz era un continuo. Y Planck se dio cuenta que, en realidad, la luz sólo podía llegar en cantidades discretas.

¿Qué significa eso? Imagina que la luz de tu salón. Al lado del interruptor tienes un regulador de la intensidad de la luz. Si quieres hacer una cena romántica, bajas la intensidad. En cambio, si quieres leer, la aumentas. Si, en algún momento, te pareciera que te sobra o te falta un poco de luz, sólo tendrías que ajustar la intensidad de la luz hasta el punto donde tú te sintieras cómodo.

Eso es lo que creía que tenía Maxwell; un regulador en el que podías ajustar la luz tanto como quisiera. De lo que se dio cuenta Planck es que, en realidad, ese regulador sólo tiene unas cuantas posiciones. Imagina que tienes 5 posiciones. Estás preparando la cena romántica y bajas la luz a la posición 1, pero te das cuenta que no veréis los platos. Así que lo subes al 2 y descubres que, entonces, ella podrá ver que no eres tan guapo como pensaba. Vas a tener que decidir con qué posición te quedas porque no existe la posición 1,5. Luego, o jugáis a ver quién apunta mejor a ciegas, o te acabarás quedando a dos velas (y nunca mejor dicho).

En definitiva, lo que descubrió Planck es que la luz llega en cantidades concretas y nunca podías obtener niveles intermedios de cantidad de luz. Eso le llevó a la conclusión era como si llegara en «paquetes», que llamó cuantos. Y, por tanto, a pesar de que la luz era una onda, también tenía características propias de las partículas. Con ello nace el concepto partícula-onda de la que ya hablamos.

Pero entonces, si la luz llega en cantidades en concreto, ¿por qué nosotros tenemos la percepción de que es un continuo? Es sencillo. Esos paquetes son tan pequeños que nosotros ni siquiera notamos la diferencia entre tener 1 paquete y tener 2. En el símil del regulador de luz, sería como si tuviéramos miles de posiciones intermedias. Seguro que podríamos escoger el nivel de luz adecuado para nuestras necesidades.

Con esta idea nace la física cuántica y estoy seguro que, en aquella época, nadie podía esperar las sorpresas que el futuro nos deparaba.