¿Qué es la física cuántica para que lo entendamos todos?

Nos gusta entender lo que pasa a nuestro alrededor. Por eso nos tranquiliza la física clásica, que ofrece una visión intuitiva del movimiento de objetos sometidos a fuerzas mecánicas o electromagnéticas. Y por eso nos inquieta enfrentarnos al mundo sin certezas absolutas que dibuja la física cuántica. La realidad se desenfoca en una interacción de probabilidades.

Una partícula cuántica es una onda de probabilidad. No podemos saber con certeza en qué estado y dónde se encuentra hasta que interactuamos con ella, instante en el que se pierde un gran abanico de posibilidades alternativas que eran igual de reales hasta ese momento.

La física cuántica explica con gran precisión el mundo que nos rodea a costa de aceptar que la luz, la electricidad, el calor o la materia están hechos de partículas cuánticas que se comportan de manera sorprendente. La paradoja del gato de Schrödinger lo ejemplifica con una caja en cuyo interior hay un gato y un mecanismo letal que podría haberse activado o no.

Disponemos de modelos matemáticos que nos ayudan a predecir el comportamiento de la materia de forma muy precisa. La tabla periódica de los elementos no tiene sentido sin las leyes subyacentes de la física cuántica. Pero, ¿son estos modelos el reflejo de la realidad o una serie incompleta de aproximaciones afortunadas? Es un reto contestar a esta pregunta, aunque podemos aprovechar el conocimiento adquirido para desarrollar aplicaciones relacionadas con la computación, la energía o nuevos materiales como el grafeno.

El amor y odio de Einstein por la física cuántica

Si existe un científico que casi cualquier persona de la calle sabría nombrar, ése es sin duda Albert Einstein. Como relataba Jürgen Neffe en su biografía, Einstein fue el primer científico mediático de la historia, ascendido a la categoría de ídolo cuando el diario londinense The Times divulgó en 1919 que la teoría de la relatividad general había quedado demostrada gracias a las fotografías de un eclipse de sol que revelaban la curvatura de la luz de las estrellas, como el físico había predicho.

Einstein recibió el Nobel de Física en 1921. Pero aunque su nombre ha quedado míticamente ligado a su teoría de la relatividad y su famosa ecuación E=mc2, no fue este logro el que le hizo merecedor del premio, sino su explicación del efecto fotoeléctrico, un fenómeno que Heinrich Hertz había observado en 1887. En 1905, Einstein describió cómo la luz arrancaba del metal paquetes discretos de energía, llamados cuantos. La idea de los cuantos de luz fue el germen de una revolución científica, que en las primeras décadas del siglo XX daría lugar al desarrollo de la física cuántica.

Albert Einstein en un retrato de 1931. Crédito: Biblioteca del Congreso de EE. UU.

A pesar de haber abierto el camino hacia una nueva física, Einstein mantuvo una extraña relación de recelo hacia la visión sostenida por quienes lideraban este vibrante campo de la ciencia. Físicos como Heisenberg o Schrödinger introdujeron con total naturalidad conceptos que se alejaban del realismo, como que la acción del observador determinaba las propiedades del sistema, o que un átomo podía estar intacto y desintegrado al mismo tiempo (o un gato vivo y muerto a la vez, en el ejemplo metafórico más famoso de Schrödinger).

"DIOS NO JUEGA A LOS DADOS"

Pero para Einstein, esta dependencia de la probabilidad sugería más bien un desconocimiento de las leyes implicadas en el gobierno de la realidad. "Estoy convencido de que Él [Dios] no juega a los dados", escribió en una carta al también físico Max Born. En otra ocasión le preguntó a su biógrafo Abraham Pais si creía que la luna sólo existía cuando la miraban.

En 1935 Einstein publicó, junto a sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, un experimento mental que hoy conocemos como la paradoja EPR. Existe la posibilidad de que dos partículas compartan sus propiedades, como si fueran gemelas. Pero si, como defendía la corriente mayoritaria de la cuántica, la acción de un observador sobre una de ellas debía influir en la otra, esto implicaría que existía una comunicación instantánea entre ambas. Lo cual, argumentaban Einstein y sus colaboradores, rompía el irrompible límite de la velocidad de la luz. Debían existir por tanto "variables ocultas" según las cuales el sistema obedecía a una especie de programación previa.

Titular sobre Einstein y la teoría cuántica del New York Times en 1935. Crédito: New York Times

En conclusión, la física cuántica no estaba equivocada, pensaba Einstein; simplemente estaba incompleta. Del mismo modo que la relatividad general había descrito un tejido del espacio-tiempo que ligaba los cuerpos entre sí, eliminando la necesidad de una acción gravitatoria a distancia que había desconcertado al propio Isaac Newton, Einstein creía que estas variables ocultas en el entorno local de las partículas antes de su separación explicarían su comportamiento posterior sin recurrir a lo que llamaba una "truculenta acción a distancia".

UNA DISCUSIÓN DE DÉCADAS

La paradoja EPR alimentó vivas discusiones entre los físicos durante décadas, pero fue en 1964 cuando el norirlandés John Stewart Bell descartó la existencia de variables ocultas que pudieran explicar lo que hoy conocemos como entrelazamiento cuántico. Como consecuencia del teorema de Bell, se concluía que sí existía una acción a distancia no local entre las partículas.

Conceptualización artística sobre el entrelazamiento cuántico. Crédito: YouTube/Stargazer

Sin embargo, el enunciado de Bell no zanjó el debate. En años posteriores, otros físicos han emprendido el empeño de tapar las posibles grietas (o loopholes) de los experimentos de entrelazamiento cuántico que podrían abrir una vía a otras explicaciones dentro de la visión realista einsteniana. Por ejemplo, los críticos arguyen que los experimentos pueden estar viciados por errores de los aparatos o por sesgos de los investigadores.

Entre los físicos que han tratado de blindar los experimentos de entrelazamiento cuántico contra cualquier posible fisura se encuentra Ronald Hanson, de la Universidad de Tecnología de Delft (Holanda). "Los experimentos libres de loopholes de 2015, de los cuales el nuestro fue el primero, han cerrado todos los loopholes que pueden cerrarse", afirma Hanson a OpenMind. "¿Prueba esto la existencia del entrelazamiento? Yo mejor lo diría al revés: la visión de causalidad local, o de realismo local, se ha demostrado falsa", afirma Hanson.

A FAVOR DEL ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO

Pero aún hay quienes sostienen que el escaso tiempo transcurrido entre la generación de las partículas y su medición en los experimentos de entrelazamiento podría seguir avalando la idea de la programación. Un reciente experimento ha tratado de derribar esta posible fisura midiendo fotones procedentes de estrellas de hasta 600 años luz de distancia; es altamente improbable, sostienen los investigadores, pensar en una programación de las partículas capaz de durar 600 años. No obstante, para Hanson estos llamados experimentos "cósmicos" de Bell no aportan un avance fundamental, ya que no descartan la influencia de variables ocultas.

Según David Kaiser, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts y coautor de este último estudio, "aún es un poco pronto para proclamar que el entrelazamiento cuántico ha sido definitivamente probado". El motivo, expone Kaiser, es que los últimos experimentos realizados hasta ahora han tapado fisuras de dos en dos, pero no tres al mismo tiempo. "Pero el progreso reciente en este campo parece más sugerente que nunca en favor del entrelazamiento cuántico".

¿Significa esto que el gran Einstein finalmente falló al recelar de la cuántica? Si los experimentos actuales le habrían hecho cambiar de opinión o no, "¡quién puede decirlo!", concluye Kaiser. Por su parte, Hanson aporta un matiz: "Mi visión es que Einstein fue uno de los primeros en descubrir las consecuencias no locales de la teoría cuántica", pero "no creyó que esas consecuencias pudieran ser ciertas". Si hubiera tenido la oportunidad de presenciar los avances más recientes, prosigue Hanson, "lo habría aceptado como hechos de la naturaleza; ¡era un hombre muy listo!".