¿Qué es la física cuántica? Desenredar el entrelazamiento cuántico
¿Partículas en diferentes lugares al mismo tiempo? El mundo de los cuantos parece contradecir principios cotidianos muy conocidos. Sin embargo, las ideas básicas del mundo cuántico son bastante fáciles de entender.
Los seres humanos somos de tamaño medio, al menos desde un punto de vista físico. Somos bastante más pequeños que las estrellas y las galaxias, pero bastante más grandes que las moléculas y los átomos. Nuestro mundo cotidiano se caracteriza por cosas de tamaño medio, como tomates, balones de fútbol o casas familiares, cosas que obedecen a las leyes de la física clásica.
En un momento dado, un tomate se encuentra en un lugar muy concreto y tiene una velocidad muy específica. Si el tomate ha estado en el frigorífico y ahora está en la mesa, entonces debe haber pasado por todos los puntos de una línea continua que une el frigorífico y la mesa en algún momento. Son reglas que damos por sentadas. No las cuestionamos. Hemos aprendido desde la infancia que así es como funcionan las cosas en nuestro mundo familiar de cosas de tamaño medio.
Pero esto no tiene por qué ser así. Cuando observamos las moléculas, los átomos y las partículas elementales, vemos que estas reglas básicas ya no parecen aplicarse en el mundo de las partículas pequeñas. Una partícula cuántica puede estar en varios lugares a la vez. Si un electrón solía estar situado a la izquierda del núcleo atómico y ahora se encuentra a la derecha del mismo, entonces no ha pasado necesariamente por todos los puntos intermedios.
Nuestra intuición humana no puede hacer frente a esto - después de todo, ha sido entrenada en objetos cotidianos clásicos de tamaño medio, no en electrones, átomos o moléculas. Esta es precisamente la razón por la que el mundo de la física cuántica nos parece tan extraño, desconocido y loco a los humanos. Pero eso no debe preocuparnos. Lo único que importa es que podemos explorar las leyes del mundo cuántico, describirlas con ecuaciones matemáticas y utilizarlas para resolver problemas.
El principio de superposición: en diferentes estados al mismo tiempo
Una de las leyes más fundamentales de la teoría cuántica es el llamado principio de superposición. Nos dice que si un objeto cuántico puede estar en diferentes estados, entonces también puede estar en una combinación de esos estados.
Si un electrón puede moverse a la izquierda o a la derecha, entonces las leyes de la teoría cuántica también le permiten moverse tanto a la izquierda como a la derecha al mismo tiempo. Si un átomo puede girar en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, entonces las leyes de la teoría cuántica también le permiten girar tanto en el sentido de las agujas del reloj como en sentido contrario al mismo tiempo. Si una molécula puede romperse o permanecer entera al ser alcanzada por un destello de luz, entonces también es posible que se haya roto y permanecido entera después. Tal combinación de estados se denomina "estado de superposición".
Esto no significa que simplemente no conozcamos el estado de nuestra partícula cuántica. No es el caso de que el átomo gire en el sentido de las agujas del reloj el 50% del tiempo y en sentido contrario el 50% del tiempo y que simplemente carezcamos de información sobre cuál de estas posibilidades se ha producido realmente. No, la partícula se encuentra en realidad en una combinación de diferentes estados al mismo tiempo. La pregunta "¿cuál de ellos es el real?" no tiene respuesta. El universo simplemente no contiene esa información. Se podría decir que el propio átomo no sabe en qué dirección está girando.
Pero, ¿qué ocurre si envía este átomo a un dispositivo de medición que pueda determinar la dirección de rotación del átomo? Ahora ocurre algo extraño: el estado de superposición se destruye. Un dispositivo que puede medir los dos estados "en el sentido de las agujas del reloj" y "en sentido contrario" obliga a nuestra partícula a elegir una de las dos posibilidades. En el momento de la medición, el estado de superposición "tanto en el sentido contrario a las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj" se convierte en el estado "en el sentido contrario a las agujas del reloj" o en el estado "en el sentido de las agujas del reloj".
¿Cuál será el elegido? Eso depende del puro azar. Aunque sepamos todo lo que hay que saber sobre la partícula, simplemente no podemos predecir el resultado de la medición. La física cuántica sólo puede decirnos las probabilidades con las que se producirán los posibles resultados. Pero cuál de ellos se convertirá realmente en la realidad medida no puede, en principio, predecirse.
Un nuevo tipo de azar
Desde un punto de vista filosófico, se trata de una idea radical: hasta la llegada de la física cuántica, se suponía que todo en el universo sucedía por una razón. El estado del universo en un momento dado debe ser una consecuencia lógica e inequívoca del estado del universo en el momento anterior, ¡y de las leyes de la naturaleza!
Pero la física cuántica rompe con este principio: cuando una medición cuántica convierte una superposición de estados en un resultado concreto, lo hace de forma puramente arbitraria. Otro resultado habría sido igual de físicamente posible, pero no ocurrió. El resultado de la medición cuántica es (al menos según la interpretación actual de la física cuántica) aleatorio en el sentido más fundamental: es un efecto sin causa.
Sólo mientras nadie esté mirando
La medición desempeña un papel crucial en la física cuántica: las partículas cuánticas pueden estar en diferentes estados al mismo tiempo, pero sólo mientras no se midan. Cuando se miden, este estado de superposición se destruye inevitablemente. El extraño "ambos al mismo tiempo" de la física cuántica se convierte en un "o bien" muy ordinario.
Esto puede sonar insatisfactorio al principio: ¿la teoría cuántica predice un nuevo y extraño tipo de estado de superposición, pero cuando realmente queremos verlo, ya no está ahí? Si es así, ¿cómo sabemos siquiera que alguna vez existió? ¿No suena extraño, como si un mago nos asegurara que puede sacar un conejo de la chistera, pero sólo cuando nadie está mirando?
No del todo. La teoría cuántica sigue siendo comprobable. Aunque los estados de superposición no puedan observarse directamente, la teoría cuántica proporciona afirmaciones que pueden verificarse en experimentos. Utilizando las ecuaciones de la física cuántica, es posible calcular exactamente cómo evolucionan con el tiempo estos extraños estados de superposición, cómo interactúan con otras cosas y cuáles son sus efectos. Estos efectos pueden observarse, y las observaciones concuerdan perfectamente con las predicciones matemáticas. Pero sólo si suponemos que estos estados de superposición, que nos parecen tan inusuales a los humanos, existen mientras el sistema cuántico no es observado.
Entrelazamiento cuántico
Una vez aceptados estos peculiares estados cuánticos, ahora podemos pensar en situaciones más complicadas en las que intervienen múltiples partículas. Por ejemplo, imaginemos que una partícula decae en dos partículas más pequeñas que salen despedidas en direcciones diferentes y giran. Si la partícula original no tenía momento angular intrínseco propio, entonces (según la ley de conservación del momento angular) la dirección de rotación de las dos partículas voladoras debe ser diferente: si una partícula gira en el sentido de las agujas del reloj, entonces la otra partícula debe girar en sentido contrario, o viceversa. Por tanto, las dos partículas están unidas: El estado de una partícula (en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario) puede informarnos sobre el estado de la otra.
Pero ya sabemos que la partícula puede no tener un estado fijo. Puede estar en un estado en el que gire tanto en el sentido contrario a las agujas del reloj como en el sentido de las agujas del reloj, y lo mismo puede ocurrir con la segunda partícula. ¿Qué ocurre si medimos el estado de una partícula y obtenemos el resultado "en el sentido de las agujas del reloj"? Entonces hemos determinado el estado cuántico de esa partícula - la hemos forzado a cambiar de su estado de superposición a un estado medido claramente definido.
Pero como el estado de la otra partícula se ha vinculado lógicamente al estado de la primera - en este caso se dice que las dos partículas están "enredadas" - el estado de la otra partícula también está ahora determinado. Ahora debe encontrarse necesariamente en el estado "antihorario". También para esta partícula, el estado de superposición se ha convertido en un estado bien definido y medido - ¡pero no se ha realizado ninguna medición en esta partícula!
Esto es lo realmente confuso del entrelazamiento cuántico: medimos una partícula, cambiando así su estado, y al mismo tiempo cambiamos también el estado de otra partícula, sin haber interactuado con ella. La otra partícula puede estar en un lugar completamente distinto durante la medición. Imagine un par de partículas cuánticamente entrelazadas viajando por el universo durante millones de años, situadas en galaxias diferentes. Sin embargo, una medición de una partícula determinaría automáticamente el estado de la otra.
Confuso, pero útil
Si esto le parece confuso, está en buena compañía: Incluso Albert Einstein se negó a creerlo. ¡La naturaleza no podía ser tan extraña! Quizá, pensó Einstein, la teoría cuántica era sólo la precursora de una teoría más profunda y completa en la que desaparecerían locuras como el entrelazamiento cuántico.
Pero numerosos experimentos -incluidos los del físico cuántico austriaco Anton Zeilinger- han demostrado que las predicciones aparentemente descabelladas de la teoría cuántica son en realidad ciertas. La naturaleza es, en efecto, más extraña de lo que Albert Einstein jamás imaginó.
Y eso es motivo de celebración: estas curiosidades de la física cuántica han revolucionado nuestro mundo en los últimos cien años. Del láser a los chips informáticos, de la energía fotovoltaica a la resonancia magnética, gran parte de la tecnología actual sería inconcebible sin la física cuántica. El primer siglo de la física cuántica ha sido una historia de éxito increíble - y no hay duda de que está lejos de terminar.
El experimento de la doble rendija
¿Cuál es exactamente la diferencia entre una partícula y una onda? Esta pregunta puede explorarse utilizando el famoso experimento de la doble rendija. Imagine que dispara pequeñas partículas a una placa con una rendija, por ejemplo, pequeñas bolas de pintura que vuelan a través de la rendija y golpean una pared situada detrás. Dependiendo de si la rendija está a la izquierda o a la derecha, aparecerá una mancha en la pared de detrás, ligeramente desplazada hacia la izquierda o hacia la derecha. Si hay dos rendijas abiertas, aparecerán dos manchas. Pueden solaparse en el centro.
¿Qué ocurre si hacemos el mismo experimento con ondas? Podríamos, por ejemplo, dividir un estanque de agua en dos partes utilizando una tabla con dos rendijas. Ahora creamos ondas que se mueven hacia la tabla, se propagan a través de ambas rendijas al mismo tiempo y luego forman un patrón de ondas en el otro lado - similar al patrón de ondas en un estanque que se crea cuando se lanzan dos piedras en él. Tal patrón -muy distinto de las simples manchas que vimos en el experimento anterior- es característico de las ondas.
El gato de Schrödinger
La teoría cuántica dice que las partículas pueden estar en "superposición", es decir, en una combinación de diferentes estados. Por ejemplo, un núcleo atómico radiactivo puede permanecer entero o decaer. Así que, según la física cuántica, también puede estar en un estado en el que esté entero y en descomposición al mismo tiempo - al menos hasta que obliguemos al núcleo atómico a elegir uno u otro midiéndolo. ¿Se trata sólo de un extraño detalle de la física de partículas que no tiene consecuencias para nuestro mundo de grandes cosas?
No es tan sencillo, como explicó Erwin Schrödinger en su famoso experimento mental sobre el gato de Schrödinger. Supongamos que tomamos un átomo radiactivo. Ponemos junto a él un detector que registra cuando el átomo se desintegra. Cuando eso ocurre, un mecanismo deja caer un frasco de veneno y el gato sentado a su lado muere. Ahora ponemos todo esto en una caja sellada y esperamos.
Podemos abrir la caja en cualquier momento - entonces podremos ver si el átomo se ha descompuesto o no, y si el gato sigue vivo. Pero, ¿y si no abrimos la caja? ¿Está el átomo, mientras no lo observemos, en una combinación de "descompuesto" y "no descompuesto"? ¿Y está la botella de veneno en una combinación de "intacta" y "destrozada"? ¿Y el gato está en una combinación de "vivo" y "muerto"? ¿Acabamos de transferir el estado de superposición cuántica de una partícula a un gato?
No. El proceso de observación por parte de un ser humano es irrelevante en este caso. El estado del gato no se determina cuando se abre la caja. El paso decisivo se produce mucho antes, cuando un objeto del mundo cuántico (nuestro átomo) entra en contacto por primera vez con un objeto del mundo de las cosas más grandes (en este caso: el aparato de medición). Este primer contacto es una medición, independientemente de la observación humana. En ese mismo momento se toma una decisión. Los objetos grandes, como las botellas de veneno o los gatos, no pueden permanecer en un estado de superposición física cuántica durante un periodo de tiempo significativo: son demasiado grandes para ello.
Sigue siendo una cuestión intensamente investigada cómo pueden demostrarse los efectos cuánticos incluso en objetos grandes (para los estándares de la física cuántica), por ejemplo, en grandes moléculas.