¿Es posible entender la mecánica cuántica? Descubre la respuesta aquí.

El desafío de comprender la física cuántica

La física, como disciplina, ha sido desarrollada por los seres humanos a través de la observación de nuestro entorno. Desde pequeños, comenzamos a construir modelos mentales sobre cómo funciona el mundo. Este proceso continúa incluso en la vida adulta, especialmente entre los físicos. Aunque este enfoque ha dado lugar a grandes avances, como las leyes del movimiento de Newton, se complica al intentar entender el comportamiento de entidades diminutas e invisibles, como las partículas subatómicas.

Este fenómeno ocurre en lo que se conoce como el «reino cuántico». Aunque no es un lugar al que se pueda acceder con un traje especial, todos estamos inmersos en él, incluso en nuestro interior. Los fenómenos que emergen de esta esfera son tan inusuales que podrían considerarse como una realidad paralela. Como bien señaló el físico Richard Feynman, «Nadie entiende realmente la mecánica cuántica».

Feynman no se refería a la incapacidad de explicar el comportamiento cuántico, ya que hoy disponemos de modelos que predicen con notable precisión los resultados cuánticos. Lo que quería destacar es que es imposible comprenderlo completamente desde nuestra perspectiva macroscópica. Lo que se presentará a continuación es un hecho que desafía el sentido común: es necesario aceptar lo absurdo y partir de esa premisa.

El experimento de la doble rendija

Para ilustrar esto, revisemos uno de los experimentos más emblemáticos de la ciencia: el experimento de la doble rendija. Originalmente, Thomas Young utilizó este dispositivo en 1801 para demostrar que la luz se comporta como una onda. Posteriormente, en 1961, Claus Jönsson llevó a cabo una versión a escala reducida que mostró que las partículas subatómicas con masa también exhiben propiedades ondulatorias.

Imagina un escenario en el que lanzas pelotas de tenis hacia una pared que tiene dos aberturas estrechas. Algunas pelotas impactan en la pared, mientras que otras pasan por la izquierda o la derecha, formando grupos en la pared de atrás. Sin embargo, si realizamos el mismo experimento con electrones, que comúnmente visualizamos como pequeñas esferas orbitando alrededor de un núcleo atómico, el resultado es sorprendente: en lugar de obtener dos grupos de impactos, se forma un patrón de múltiples bandas.

Este comportamiento se asemeja al resultado que se observa cuando la luz atraviesa dos rendijas. En primer lugar, se produce difracción, donde la luz se expande al pasar por las aberturas, similar a una ola en el mar. Luego, las ondas de las dos rendijas se superponen, creando un patrón de interferencia que resulta en puntos brillantes y oscuros, dependiendo de si las ondas están en fase o desfasadas. Esto es observable en la práctica usando un láser rojo como fuente de luz.

La naturaleza de la superposición cuántica

Si los electrones se comportan como ondas, surge la pregunta: ¿podemos modelar estas diminutas partículas de materia como tales? La respuesta es afirmativa, y esta idea se encuentra en la base de la ecuación de Schrödinger, la cual describe cómo un sistema cuántico evoluciona a lo largo del tiempo y el espacio. Sin embargo, esto no resuelve completamente nuestras interrogantes. Queremos entender si los electrones realmente atraviesan ambas rendijas o si cada uno pasa por una única rendija, como en el caso de las pelotas de tenis.

La respuesta es que ambas afirmaciones son correctas. Si configuramos nuestro experimento para disparar un electrón a la vez, sorprendentemente, con el tiempo, aún se forma el mismo patrón de interferencia de múltiples bandas. Esto implica que los electrones están interfiriendo consigo mismos.

Por lo tanto, los físicos describimos este fenómeno como un estado de superposición, donde el electrón existe en una combinación de pasar por la rendija izquierda y la derecha. Sin embargo, si intentamos medir por cuál rendija pasó el electrón, utilizando un pequeño detector, el resultado cambia drásticamente. En lugar de observar el patrón de interferencia, obtenemos un resultado que sugiere que el electrón ha atravesado solo una rendija, similar al patrón de las pelotas de tenis. Este fenómeno ocurre porque la medición «colapsa la función de onda», eliminando la superposición.

Reflexiones sobre la superposición y el experimento mental del gato

Este concepto puede parecer absurdo: el acto de medir parece alterar la realidad. Esto nos lleva a cuestionar si los experimentos físicos pueden influir en el resultado de lo que observamos. Un famoso experimento mental relacionado es el «gato de Schrödinger», propuesto por Erwin Schrödinger, quien no podía aceptar la idea de la superposición. En este escenario, un gato se encuentra en una caja cerrada junto a un átomo radiactivo. Si el átomo se desintegra, el gato muere; de lo contrario, permanece vivo. Mientras la caja esté cerrada, el átomo está en un estado de superposición, lo que implica que el gato está simultáneamente vivo y muerto.

A pesar de su ingenio, el argumento de Schrödinger fue refutado. Nadie sostiene que la superposición se aplique a objetos macroscópicos como los gatos. Además, la medición del estado del átomo ocurre antes de abrir la caja, lo que ya afecta el resultado. Desde entonces, se han realizado numerosos experimentos que respaldan la existencia de la superposición y la incertidumbre como elementos fundamentales del universo. Afortunadamente, esta propiedad es la que permite a las computadoras cuánticas funcionar de manera tan eficiente.

Entendiendo la superposición y el entrelazamiento cuántico

Es crucial destacar que la superposición no implica simplemente que no tengamos información. Por ejemplo, si lanzamos una moneda al aire y la cubrimos antes de que caiga, la moneda ya es cara o cruz; simplemente no sabemos cuál es el resultado. En el experimento de la doble rendija, sabemos que el electrón pasa a través de una rendija y a la vez por ambas.

Los sistemas cuánticos presentan características adicionales que desafían la comprensión, como el entrelazamiento, donde la medición del estado de una partícula afecta instantáneamente el estado de otra, sin importar la distancia que las separe. Este fenómeno ocurre sin que haya tiempo suficiente para que una señal viaje entre las partículas.

Frente a estos fenómenos bien establecidos, es válido preguntarse si es justo calificarlos de extraños. Tal vez estemos simplemente resaltando las limitaciones de nuestra percepción humana. Lo que es indudable es que la realidad en la que vivimos es solo una parte de un panorama mucho más amplio, y la mecánica cuántica nos enseña a ser humildes en nuestro conocimiento. A medida que avanzamos en la ciencia, el misterio parece crecer en lugar de disminuir.