Un recorrido histórico a vuelo de pájaro.

Entonces el mundo cuántico es el mundo de las partes más pequeñas que constituyen la materia, el micromundo, el mundo de las partículas subatómicas. La primer partícula subatómica que fue el electrón, recién fue descubierta en el año 1897. Los físicos de partículas han desarrollado modelos para comprender de qué están hechas las cosas y cómo las diferentes partes componentes interactúan entre sí. El modelo estándar de la física de las partículas, basado en las reglas de la mecánica cuántica, nos dice como el mundo está construido por pequeñísimos bloques fundamentales de quarks y leptones que se mantienen juntos por el intercambio de partículas denominadas gluones y bosones. Lamentablemente este modelo no incluye todo, por ejemplo no incluye el campo gravitatorio. La estructura de la física teórica en el siglo XX fue construida sobre dos grandes teorías, la Teoría general de la Relatividad, la cual describe la gravedad y el universo macro, y la Mecánica Cuántica que describe el micromundo. La unificación de ambas en una teoría que abarque todo es lo que los científicos en el siglo XXI están buscando, aún sin conseguirlo. No obstante esta búsqueda, cualquier teoría física mejorada incluirá la teoría cuántica, y ninguna de estas teorías podrá tal vez explicar la extrañeza del mundo cuántico, para los estándares utilizados en la vida diaria y el sentido común de las personas. La cuántica desafía al sentido común, o mejor dicho no tiene sentido a pesar de que explica con precisión insólita todos los fenómenos que ocurren en el mundo de las partículas subatómicas. Uno de los ejemplos clásicos es el fenómeno de la doble identidad de la luz, y de todas las partículas conocidas. Doble identidad dada por la identidad onda y la identidad partícula. J.J. Thompson abrió el micromundo a la investigación cuando descubrió el electrón como partícula. Tres décadas mas tarde, su hijo George Thompson probó que los electrones eran ondas. Ambos estaban en lo cierto y ambos ganaron el premio Nobel por sus investigaciones. Un electrón entonces es una partícula y también es una onda, o mejor dicho, no es ni una cosa ni la otra sino que es una entidad cuántica que responde a determinados experimentos comportándose como una onda y a otros experimentos de otras características comportándose como una partícula. Lo mismo pasa con la luz, que se puede comportar como un haz de partículas denominadas fotones o como un conjunto de ondas de diferentes longitudes de onda, según sean las circunstancias. Por cierto la luz es ambas cosas, a pesar de que no se manifiesta claramente así en nuestra vida diaria, razón por la cual no consideramos las consecuencias de esta doble identidad como algo claro para nuestro sentido común.

Todo esto está también relacionado con el fenómeno de la incertidumbre cuántica; la cual significa que una entidad cuántica por ejemplo un electrón en movimiento no tiene un conjunto de propiedades bien determinadas o definidas tales como las que podríamos encontrar que tiene una bola de billar al rodar por la felpa de una mesa donde la misma claramente tiene una velocidad y una posición determinada en cada instante. La entidad cuántica, en nuestro caso el electrón en movimiento u órbita alrededor de un núcleo, o moviéndose a través de un hilo conductor de corriente eléctrica, no puede saber en forma precisa a donde está ni a donde se dirige. Esto que aquí se menciona, puede parecer un fenómeno totalmente irrelevante, algo sin importancia para nuestra vida de todos los días (a quien le puede importar, lo que hace un electrón!!). Pero en realidad es esta incertidumbre cuántica, la que permite que un núcleo de una molécula de hidrógeno se una a otro en un proceso denominado fusión nuclear, que es la fuente básica de la energía solar. Esto significa ni más ni menos que si este concepto de incertidumbre cuántica no existiera, el sol no sería lo que es, y por lo tanto nunca nos preguntaríamos acerca de estas cosas “triviales” y “sin sentido” porque sencillamente no existiríamos.

La física cuántica no es un ejercicio académico e intelectual sin sentido para la vida. Es necesario saber esta rama de la física para construir una planta nuclear como también una bomba nuclear, para diseñar mecanismos láser, los cuales  permiten desde escuchar música en un CD hasta leer información almacenada en el disco rígido de una PC o mecanismos similares al láser utilizados para amplificar señales satelitales que alimentan lo que vemos en TV.

La física cuántica es importante en el diseño y la operación de todo aquello que contiene semiconductores – chips para PC, TV, equipos de audio, máquinas de lavar, autos, TE celulares -. Los semiconductores son materiales que tienen propiedades intermedias entre los aislantes (aquellos en que los electrones de los átomos del elemento que compone el material aislante, están firmemente ligados al núcleo de dichos átomos) y los materiales conductores (en los cuales los electrones están libres de ataduras y se mueven libremente a través del material conductor). En un semiconductor, algunos electrones están apenas ligados a sus núcleos y pueden saltar hacia otros núcleos y así moverse de una manera específica siguiendo ciertas reglas cuánticas conocidas como estadística de Fermi-Dirac.

Los electrones que se encuentran en la parte más externa de los átomos de los elementos, son los que forman las interfaces entre los diferentes átomos y moléculas que así forman todos los compuestos químicos conocidos. La conducta de los electrones en los átomos y moléculas, solo puede ser explicada a través de la física cuántica, es decir toda la química es explicada a través de la física cuántica.  La vida misma está basada en interacciones químicas complejas, siendo la más notable de todas el arquetipo de la molécula de la vida, el ADN. Esta molécula tiene la habilidad de desdoblarse y producir una copia similar de sí misma. Ciertas ligaduras que mantienen unidas a estas moléculas de ADN  y que permiten este proceso de desdoblamiento, son una clase de ligadura o unión química denominada unión hidrógeno, en la cual el núcleo de un átomo de hidrógeno es compartido entre dos átomos o entre dos moléculas formando la ligazón entre ellas. La manera fundamental en que los procesos de la vida operan solo se puede explicar a través de procesos cuánticos que operan en estos sistemas de unión hidrógeno. En genética, para poder separar genes, a los efectos de agregarles nueva información genética e integrarlos a su estado original, es necesario entender cómo y porqué los átomos se unen entre ellos y en una cierta secuencia pero no en otras posibles, porqué ciertas uniones son mas poderosas que otras, y porqué ciertas uniones mantienen a los átomos y a las moléculas separados a ciertas distancias fijas. Se puede conocer todo esto por prueba y error, sin entender las leyes de la física cuántica que gobiernan estos procesos, pero llevaría un tiempo cuasi- infinito antes de arribar a conclusiones válidas (en efecto la evolución opera dentro de esta forma de prueba y error).

Cuando hablamos aquí en estos ejemplos de entender o describir los fenómenos, no nos referimos a una descripción en términos generales en una forma cualitativa. Por el contrario, la física cuántica permite realizar cálculos con una precisión asombrosa. El triunfo más grande de la física cuántica teórica, es la teoría que describe la interacción entre la luz (cualquier radiación electromagnética) y la materia (materia representada por los electrones, que son uno de los componentes básicos de la misma). Esta teoría se llama Electrodinámica Cuántica (QED) y fue desarrollada por el físico Richard Feynman. La misma explica cualquier tipo de interacción que pueda ocurrir entre ondas electromagnéticas y electrones de la materia con una precisión de cuatro partes en 100.000 millones. Es la teoría científica más precisa jamás desarrollada, juzgando la misma por un criterio acerca de cuan certeramente la teoría permite predecir los resultados experimentales. Para darnos una idea de qué estamos hablando, es tan precisa como  si calculáramos la distancia entre Nueva York y Los Ángeles con un error máximo igual al diámetro de un pelo.

Utilizando el mismo esquema de razonamiento de esta teoría tan exitosa, se construyó otra similar, intentando explicar lo que ocurre dentro de los protones y neutrones- partículas que son los componentes fundamentales en el núcleo de cualquier átomo-  esta nueva teoría fue denominada Cromodinámica Cuántica (QCD). Actualmente ambas teorías son las componentes de un modelo estándar que permite explicar la composición básica de la materia, es decir de todo lo que existe.

J.J.Thompson nunca hubiera imaginado el camino que seguiría la ciencia luego de su descubrimiento del electrón, aunque en realidad los primeros pasos hacia el desarrollo de la física cuántica no se dieron a partir de las investigaciones sobre el electrón, sino sobre el otro componente de la interacción fundamental desarrollada en la QED: la luz en su acepción corpuscular: los fotones.

Al final del siglo XIX, nadie pensaba que la luz podía comportarse como partículas denominadas fotones, las observaciones de muchos fenómenos mostraban que la luz se comportaba como una onda, las ecuaciones del electromagnetismo descubiertas por James Clerk Maxwell describían a la luz como una onda. Pero fue Max Planck quien descubrió que ciertas características de la forma en que la luz es emitida y absorbida por un cuerpo, solo se podrían explicar si la radiación producida por el cuerpo emisor ocurriera en paquetes de cierto tamaño fijo, a los que el denominó cuantos de luz.

Su teoría en un primer momento fue considerada como un artificio matemático, pero que en realidad la luz era una onda, ni siquiera Planck consideraba que la misma tuviera algún significado real, era algo así como cerrar los números. El primero en tener en cuenta esta idea de la luz como partícula fue Einstein aunque aún era muy joven y no tenido en cuenta por la comunidad científica. El utilizó este concepto para explicar un fenómeno conocido como Efecto Fotoeléctrico, en un paper escrito en 1905. Pasaron muchos años, incluso con científicos intentando demostrar que este concepto era erróneo (Robert Millikan), para que finalmente fuera aceptado como válido y así Einstein recibió por su trabajo el premio Nobel en 1921.

Durante la misma época otros científicos liderados por Niels Bohr, aplicaban los conceptos de la física cuántica para entender y desarrollar nuevos modelos de la estructura de los átomos. El modelo así desarrollado permitió explicar ciertos fenómenos que hasta ese momento parecían mágicos, tales como la forma en que los átomos de diferentes elementos producían líneas claras y oscuras en longitudes de onda precisamente definidas según fuera cada elemento utilizado, en los experimentos de espectros de refracción de la luz emitida por estos elementos. Tal vez aquí valga alguna aclaración acerca de este concepto de espectros. Cada elemento químico, por ejemplo el hidrógeno, o el níquel, o la plata, o el carbono, o el cloro, para mencionar algunos y saber que queremos decir al pronunciar la palabra elemento químico; está asociado a un único espectro óptico, el cual se obtiene de la luz emitida cuando dicho elemento es calentado hasta su incandescencia. No solamente los átomos poseen espectros característicos, sino que las moléculas formadas por diferentes átomos también lo tienen, y también lo tienen los núcleos de los átomos. Este espectro significa que estos objetos (núcleos, átomos, moléculas) cuando reciben energía de alguna forma (calentamiento) emiten (también absorben) radiación electromagnética a ciertas frecuencias definidas que van desde la región de las frecuencias de radio para las moléculas, hasta la región de los rayos X de longitud de onda muy corta o los rayos g para los núcleos. Con estas radiaciones se pueden hacer experimentos de refracción cuyo resultado es lo que se denomina un espectro electromagnético, aquellas bandas o líneas de claridad y oscuridad que mencionábamos. Los espectros ópticos, es decir los que están dentro del rango correspondiente a la radiación visible (la luz) fueron descubiertos en el siglo XIX aunque no tenían una explicación científica, al menos dentro de lo que la física clásica permitía.

 Para clarificar aun mas este fenómeno, se debe tener en cuenta que en el estudio denominado espectroscopia, existen tres experimentos diferentes:

ü      Sólido incandescente; que consiste en calentar un sólido hasta que produce una luz blanca (la bombita de luz), esta luz contiene todas las frecuencias del espectro visible. Cuando a dicho haz de luz se lo hace pasar por una ranura y luego incidir sobre la parte angosta de un prisma, pueden observarse en una pantalla, al otro lado del prisma, el llamado espectro continuo de colores (el arco iris).

ü      Gas monoatómico (un elemento) caliente; si utilizamos el mismo dispositivo de la ranura y el prisma, pero el haz de luz proviene ahora desde una cámara con un gas a una temperatura tal que emite luz, el espectro que veremos en la pantalla deja de ser continuo. Ahora se verán líneas brillantes con la forma de la ranura sobre la pantalla y cada línea con el color correspondiente al espectro continuo que mencionamos en el caso anterior. Diferentes tipos de gases producen diferentes espectros de líneas. Las propiedades integradoras del ojo humano impiden que veamos las líneas, es así que se percibe los colores fundidos como una sola cosa, por ejemplo vemos rojiza la luz del gas peón incandescente, amarilla la luz del sodio gasificado. A estos espectros de líneas producidos por el calentamiento de gases, de los denomina espectros de emisión.

ü      Gas monoatómico frío ( a temperatura ambiente): combinamos los dos experimentos anteriores. Calentamos el sólido hasta su incandescencia, se hace pasar la luz que este emite por una cámara donde se encuentra alojado un gas frío, el haz de luz que sigue su camino luego de pasar por el gas frío, se  hace pasar por la ranura y el prisma ¿Qué resulta? En la pantalla ahora veremos un espectro de líneas oscuras, ubicadas en las mismas posiciones que estaban las líneas brillantes en el caso anterior. Esto indica que el gas frío esta absorbiendo energía en la misma frecuencia que emite cuando esta caliente. A este espectro se lo denomina de absorción

Actualmente la explicación a estos fenómenos, está dada por la física cuántica estableciendo que los espectros se interpretan en términos  de niveles de energía de los átomos, moléculas y núcleos. El estudio de los espectros nos lleva a conocer que, asociado con cada sistema compuesto (núcleos = protones + neutrones; átomos = núcleos + electrones; moléculas = átomo + átomo), existe un conjunto de niveles energéticos o estados estacionarios que son una característica del sistema al que nos referimos. Estos niveles se manifiestan de manera muy directa e invariable en los espectros que observamos ¿Qué quiere decir esto? : hasta tanto no se conocía la existencia del electrón, esto era un total misterio. Con la llegada del electrón y el ingenio de Bohr se comenzó a tejer una teoría acerca del modelo atómico que tenia cierta congruencia con los fenómenos observados a partir de la espectroscopia. así se plantearon algunos principios:

a) Los electrones que forman parte de un átomo pueden existir solamente en ciertos estados estacionarios de movimiento interno, estos estados forman un conjunto discreto (no continuo), y cada estado viene caracterizado por un determinado valor de la energía total. Son como los peldaños en una escalera.

b) Cuando un átomo emite o absorbe energía, este fenómeno se manifiesta por la radiación o absorción de  lo que llamamos un fotón u onda electromagnética. Lo que está ocurriendo es que los electrones del átomo saltan de un estado estacionario a otro, pasan de un escalón a otro. Si este salto es desde un nivel superior de energía a un nivel inferior, la diferencia de energía, es decir lo que sobra se debe emitir. Esto es lo que ocurre, se emite una partícula de energía llamada fotón que es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. Este fotón, estará dentro del espectro de radiación electromagnética según sea su frecuencia. La relación entre energía y frecuencia está dada por la ecuación de Planck E = h.n, donde h es una constante universal (la constante de Planck que ya mencionamos) y n es la frecuencia del fotón. Según es el valor de n, la radiación será visible o no.

La realidad es que los estados de energía superiores no son totalmente estacionarios ya que de estos los electrones caerían espontáneamente hacia los de menor energía permitida, emitiendo así fotones. Para llegar a estos estados superiores  se debe entregar energía al sistema (átomo, núcleo o molécula) mediante algún mecanismo por ejemplo el calentamiento, descarga eléctrica, que luego perderá en la emisión tal como se describió antes.

Cada raya espectral que vemos corresponderá entonces a una frecuencia determinada que estará relacionada con los estados de energía permitidos según la ecuación de Planck:

E(1)- E(0) = h.n, donde E(1) y E(0) son estados de energía, y h = 6,63x10^-34 joules.seg. La idea extraña detrás de esta explicación desarrollada por Bohr, es que al producirse el salto entre un nivel de energía y otro – entre los escalones de la escalera – los electrones no ocupan ningún nivel intermedio, esto es lo que se denominó un salto cuántico, es decir un electrón primero está en un cierto lugar y luego desaparece y aparece en forma instantánea en otro.

Si bien Bohr consideraba en su desarrollo a los electrones como partículas y a la luz como onda, ya se había aceptado el concepto de Einstein acerca de la existencia de dos teorías de la luz (ondas y partículas) las cuales no estaban conectadas en una forma lógica. Aparece entonces otro científico de renombre: Louis de Broglie, quien sugirió para los electrones un tratamiento similar, es decir estos no son solo partículas sino también ondas y que en realidad lo que viaja está en órbita alrededor del núcleo de un átomo no es una partícula sino una onda  estacionaria, como la de la cuerda de un violín que está fija en sus dos extremos. Esta idea si bien rara, permitía explicar mejor el denominado salto cuántico de los electrones cuando transitaban desde un nivel de energía a otro. Ahora el mismo se podía explicar en términos de vibración de la onda, al cambiar de una armónica a otra. Posteriormente otro científico de renombre Erwin Schrödinger, desarrolló una descripción matemática completa de la conducta de los electrones en los átomos, basado en la idea de onda. Otras descripciones matemáticas explicando las conductas de los electrones fueron apareciendo de la mano de Heisenberg, Paul Dirac todas ellas equivalentes pero con visiones diferentes acerca del significado de un mismo mundo cuántico, así fueron emergiendo las diferentes realidades cuánticas. No importaba que ecuaciones se utilizaran, todas describían los mismos fenómenos dando los mismos resultados. De todas maneras, dado que los científicos estaban mas familiarizados en el trabajo con ecuaciones de ondas (mecánica ondulatoria), fueron las desarrolladas por Schrödinger basadas en la función de onda del electrón, las que se transformaron en convencionales para desarrollar cálculos en lo que se denominó la mecánica cuántica. Ya a fines de 1920 los físicos contaban con diferentes menús matemáticos para describir el micromundo, todos estos funcionando perfectamente bien con un alto grado de precisión en todas las predicciones acerca de experimentos reales que se realizaban; lo malo era que todos incluían algunos de los conceptos que resultaban extraños para el sentido común, tales como el salto cuántico, la dualidad onda-partícula, o el principio de incertidumbre.

Bohr fue el primero que desarrolló una idea acerca de la realidad del mundo cuántico, denominada la interpretación de Copenhague. Esta dice que los electrones o cualquier entidad cuántica no existen en tanto y en cuanto no sean observados, sino que lo que existe es una nube de probabilidades que mide cual es la probabilidad de que la entidad se encuentre en un determinado lugar en un determinado momento. Cuando nos decidimos a observar a dicha entidad cuántica (el electrón por ejemplo), se produce lo que se denomina un “colapso” de la función de onda, en el cual la entidad elige al azar una posición donde ubicarse, esa es la posición que el observador detectará. Una vez que cesa la observación, de nuevo la entidad se disuelve en una nube probabilidades descripta por la función de onda que se esparce desde el último sitio en donde se realizó la observación.

Aquí es necesario volver sobre el capítulo de las ondas. Max Born otro de los físicos de la época conecto las ondas cuánticas con los hechos reales en una forma innovadora. Las ondas cuánticas, es decir aquellas que describen a las entidades cuánticas como los electrones, siguen las mismas reglas que cualquiera de las ondas físicas mencionadas, el agua en la pileta, el sonido, las ondas electromagnéticas. Es decir se pueden sumar, superponer, interferir. Habíamos dicho que Las ondas se caracterizan por el medio que vibra para producir las ondas que transmiten la energía; así el agua en el caso de las ondas acuáticas, el aire para las ondas sonoras, los campos eléctricos y magnéticos para el caso de las ondas electromagnéticas. En el caso de las ondas cuánticas que son un tipo de onda especial, las mismas son oscilaciones de probabilidades. Las ondas cuánticas, a diferencia de las ondas comunes, no trasladan energía, por eso se las denomina ondas vacías. La amplitud de la onda cuántica elevada al cuadrado, lo que se conoce como la intensidad en el movimiento ondulatorio, es una medida de probabilidad. ¿Probabilidad de qué? De que una entidad cuántica, el electrón por ejemplo, se encuentre en una posición determinada. Recordemos que para las ondas comunes la amplitud al cuadrado daba una medida de la energía que transportaba la onda en cuestión.

Llegando ya al final de esta historia, es importante mencionar que dos monstruos de la ciencia, Einstein y Bohr mantenían posiciones opuestas; Bohr defendiendo los fundamentos de la cuántica por medio de explicaciones que no encajaban con el sentido común, Einstein todo lo contrario diciendo que no podía aceptar la ruptura implícita en todas las explicaciones de la física cuántica. Para el todos los fenómenos de la naturaleza, debían estar basados en lo que se denominaba “realidad local”. ¿cuál es el significado de esta expresión?

Realidad significa que todas las entidades cuánticas son reales incluso cuando no se las observa, y no como se argumentaba que estas entidades cuánticas (el electrón) solo existían como nubes de probabilidades mientras no son observadas, para concretarse en una partícula concreta al observarlas.

Local significa que nada puede transmitirse a una velocidad superior a la de la luz, ni siquiera la información dado que esta viajará en ondas electromagnéticas a dicha velocidad.

Estos conceptos que contaban con la aprobación de los científicos defensores del sentido común, no eran aceptados por los cuánticos (Bohr), quienes mantenían que en el mundo cuántico no pueden darse ambos, o bien las entidades son reales y entonces existe transmisión de información a una velocidad superior a la de la luz, o bien si esto no es posible, entonces las entidades cuánticas no son reales y solo existen en el momento en que son observadas.

A pesar de lo extraño de estas ideas, en un experimento llevado a cabo en París en 1982 por el científico Alain Aspect, utilizando como entidades cuánticas fotones, se demostró que las predicciones de la física cuántica eran correctas: el mundo cuántico no puede estar compuesto a la vez de entidades reales y ser local (la luz como velocidad máxima de transmisión). Esto significa que el micromundo no funciona conforme a las reglas del sentido común determinadas por nuestras experiencias cotidianas. Pero como dijo Feynman hace ya mas de treinta años: “nadie entiende los fenómenos cuánticos; pero no nos preocupemos por preguntarnos por qué la naturaleza se comporta así, sino maravillémonos admirando al conocer cómo la naturaleza se comporta”.

( Última modificación: 12 de octubre de 2001)

--- La física cuántica  casi sin ecuaciones  ---