Mecánica cuántica: olas, balas y desconcierto

Supongo que después ver las palabras mecánica y cuántica, una tras otra, la mitad de los lectores ha decidido cerrar la página y volver a pasarse por Aristarcos otro día. Les recomiendo que lo hagan porque si aguantan hasta el final les prometo asomarnos a uno de los asombros más grandes que he encontrado en este gran cosmos. Y además, les aseguro que no voy a utilizar, términos técnicos difíciles de comprender, ni hacer uso de matemáticas avanzadas.

No vamos a intentar comprender el universo cuántico ni las matemáticas utilizadas en su descripción, ya que, por desgracia, lo ignoro todo al respecto. Simplemente siguiendo los pasos de Feynman en una de sus "Seis piezas fáciles" vamos a observar cuales son los resultados de un experimento mental en el que se lanzan electrones contra una pared con varios agujeros, lo cual no es tan extraño como pudiera parecer, cualquier tubo de rayos catódicos es un dispositivo de lanzar electrones contra una pared fluorescente e hipnótica.

Supongamos primero que realizamos el experimento con balas. Tenemos una ametralladora que dispara balas contra una pared impenetrable. Estas balas podrán a travesar la pared si llegan a un agujero presente en ella. Una vez en el agujero, la bala puede ser desviada al chocar contra los bordes del mismo. Tras la primera pared se encuentra otra de madera en la que se pueden contar las balas que han impactado en cada punto. De hecho, si se representa el número de balas que llegan a cada punto de la pared de detección, se obtendrá una curva similar a la de la figura A. De este modo, hemos respondido a la cuestión, ¿cuál es la probabilidad de que una bala que ha pasado por un agujero acabe en un punto concreto de la segunda pared? Evidentemente si ahora abrimos un segundo agujero y cerramos el primero obtendremos una curva similar desplazada respecto a la anterior (figura B). Y, por supuesto, la probabilidad con ambos agujeros abiertos a la vez es la suma de las dos probabilidades anteriores ya que las balas deben haber pasado por uno o por el otro agujero (figura C). Hasta aquí nada extraño, pero ya aviso que nos vamos a arrepentir profundamente del "Por supuesto" de la frase anterior.

En el siguiente vídeo se puede disfrutar de unos gráficos mucho mejores que los de la figura anterior, aunque, por desgracia, el audio es en versión original sin subtítulos. (Actualización acabo de encontrar una versión del vídeo con subtítulos en castellano.)

Repitamos ahora el experimento con olas en el agua. Esta vez en vez de una ametralladora tendremos un objeto que golpea repetidamente la superficie del agua en calma, por ejemplo, el pico de un pájaro, y la primera pared se sustituye por un dique con dos agujeros. En esta ocasión, lo que llegará a la segunda pared, al detector, es un patrón de ondas en el agua (figura D) y lo que se detectará es la energía trasportada por la onda en cada punto. La diferencia fundamental con el primer caso, es que esta vez, la distribución de la energía, en el caso con los dos agujeros abiertos, no es simplemente la suma de las encontradas cuando se cerraban los agujeros alternativamente. Ahora hay interferencia. Esta es una propiedad de las ondas fácil de entender. Si las ondas correspondientes a los dos agujeros se encuentran en un punto en el que ambas están en su máximo se sumarán, pero si una está en su máximo y otra en el mínimo se restará en ese punto el agua ni subirá ni bajará. El resultado obtenido se observa en la figura D.

Hasta este momento todo era macroscópico, balas y ondas en el agua, y los resultados de los experimentos no eran demasiado sorprendentes. Veamos que sucede cuando sustituimos las balas por electrones y nos adentramos en el mundo cuántico. Disparamos los electrones de uno en uno y representamos el número de electrones que llega a cada punto de la segunda pared. Este el el momento de puntualizar algo que debería ser obvio, los electrones llegan al detector de uno en uno, nunca llega medio electrón ni un cuarto, o llega un electrón o no llega, no se rompen por el camino.

¿Las probabilidades de encontrar al electrón en un punto de la segunda pared, serán equivalentes a las que encontramos con las balas o a lo que se vio con las ondas? Aquí es donde la diversión comienza y nos adentramos en un mundo desconcertante. La probabilidad de encontrar a un electrón se distribuye como lo hacían las ondas, se observa interferencia. Ya hemos visto que para que haya interferencia deben cumplirse dos requisitos: debe haber una onda implicada y la onda debe pasa por los dos agujeros a la vez. Pero ya habíamos visto que un electrón no se puede dividir, ¿cómo es posible que pase por las dos rendijas a la vez? Si pasa por un sólo agujero no debería haber interferencia y el patrón encontrado debería ser como el visto para las balas (figura C). Debería ser así, pero no lo es. Hay interferencia cuando los dos agujeros están abiertos, a pesar, de que nuestra intuición nos indica que el electrón debería pasar sólo por una rendija. Se comporta como una onda que pasa por los dos agujeros y, por o tanto, aparece la interferencia. El cosmos simplemente es mucho más extraño de lo que podríamos atrevernos a soñar.

Se podría repetir el experimento con un detector intermedio capaz de observar por que agujero pasa cada electrón para asegurarnos de que realmente atraviesa uno u otro y así intentar comprender como es posible que haya interferencia en una partícula. En este caso la distribución de los electrones cambia abruptamente y se hace idéntica a la observada en el caso de las balas. El observar el paso del electrón modifica el resultado del experimento, lo cual no tienen parangón en el mundo macroscópico. Cuando no los vemos, los electrones se comportan como ondas y cuando sí los observamos como partículas. La razón de este interferencia en el observador y el experimento se debe a que para observar al electrón hay que lanzarle una partícula de luz, un fotón, que, de algún modo, lo modifica. Esto equivale a decir, que los invitados a una fiesta en una sala con dos puertas entraran por una sola puerta si alguien los ve, pero se comportarán como ondas y entraran por las dos a la vez si ninguna cotilla se preocupa de espiarlos. Cuanto más nos adentramos en el terreno cuántico más debemos olvidarnos de nuestras intuiciones forjadas en un mundo macroscópico.

Podríamos permitirnos el lujo de suponer que todo esto no son más que delirios enfermizos de la comunidad de físicos, una especie de histeria colectiva si no fuese porque renunciar a la mecánica cuántica implicaría olvidar, entre otros inventos, el transistor y el láser, y entre otras tecnologías, internet, el ordenador personal y el teléfono móvil. La mecánica cuántica no sólo ha cambiado la forma de pensar en nuestro mundo, a través de la tecnología, ha modificado irreversiblemente la vida de los seres humanos.

El mundo microscópico es extraño, salvaje incluso. Se puede pensar en una isla paradisiaca, nos hemos pasado la vida en una playa de arenas claras frente a un mar cálido, generoso y rico en recursos. Nunca hemos necesitado abandonar esta playa hermosa y cómoda. Pero una mañana un espíritu inquieto decide mirar en otra dirección, se da la vuelta y se adentra en la selva. Tras los primeros pasos ve por primera vez una gran tucán y maravillado decide continuar el viaje y un poco más allá una tormenta le brinda el fuego. Al abandonar nuestra cómoda orilla en el océano macroscópico que hemos aprendido a comprender y a amar descubrimos que nada de lo que conocíamos es aplicable. Ni siquiera nuestros sueños podrían habernos llevado a lugares tan extraños y salvajes, pero tenemos la fortuna de que la física nos ha permitido conocerlos y admirarlos, aunque tal vez nunca lleguemos a comprenderlos del todo. Sólo queda añadir que si todo esto no le ha parecido extraño e incomprensible precoupese, Niels Bohr, premio nobel por ser uno de los padres de la mecánica cuántica afirmó: "Cualquiera que piense que puede hablar de teoría cuántica sin sentirse mareado todavía no la ha entendido."