Si bien el mundo del macrocosmos es bastante extraño, el mundo atómico y subatómico es infinitivamente más excepcional, a tal grado que los conceptos de la física clásica dejan de ser aplicables.
La física de partículas busca comprender el mundo de las partículas fundamentales. Sabemos que todo esta compuesto de átomos, y estos están compuestos de protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones, a su vez, están compuestos de unas partículas extrañas llamadas ‘quarks’. La dificultad en estudiar las partículas subatómicas es su tamaño, son tan pequeñas (más pequeñas que una onda de luz), que no pueden ser observadas directamente. Físicos llevaban a cabo complicados experimentos para poder observar el comportamiento de estas partículas.
La mecánica quántica es una rama de la física que describe el comportamiento e interacción de energía y materia en escalas subatómicas. A mediados del siglo veinte se descubrió que las leyes que gobiernan el mundo macroscópico no son aplicables en escalas extremadamente pequeñas. La mecánica quántica fue fundada a partir de las investigaciones de científicos de gran renombre como Max Planck, Erwin Shrodinger y Albert Einstein. Irónicamente, los conceptos de la mecánica quántica son tan extraños que el mismo Einstein no los pudo aceptar y pasó varios años de su vida intentando refutarlos.
Es verdad que la mecánica quántica es bastante difícil de comprender, particularmente porque rompe con nuestra intuición y lo que percibimos a través de los sentidos. Es un mundo en el que la materia puede viajar de un lugar a otro sin pasar por el espacio en medio, en el que las ondas de luz actúan como partículas y las partículas como ondas, y en el que todo esta construido a base de probabilidades. No obstante, es posible obtener una comprensión fundamental a partir de unos cuantos conceptos:
La dualidad partícula/onda: En el siglo XVII, Isaac Newton y Christopher Hugyens propusieron dos teorías completamente incompatibles sobre la luz. Newton planteó que la luz estaba compuesta de partículas, mientras que Hugyens propuso que la luz se comportaba como una onda. El prestigio de Newton le proporcionó apoyo a su teoría, por lo cual fue aceptaba por más de un siglo.
A principios del siglo XIX, en un reconocido experimento llevado a cabo por Thomas Young, llamado el ‘experimento de la doble rendija’ se descubrió que la luz tenía comportamiento que sugería que se propagaba por ondas, al igual que el sonido. Eventualmente, con aportaciones de Einstein y de Broglie, se llegó a la conclusión que la luz funciona tanto como una partícula que como una onda, dependiendo de la manera en que se conduce el experimento y el momento en que se hacen las observaciones.
La importancia de este descubrimiento nos lleva al corazón de la mecánica quántica. Esta dualidad onda/partícula se ha descubierto en toda la materia en escalas subatómicas, no sólo en la luz.
El principio de la incertidumbre de Heisenberg: Este es un concepto matemático que restringe la precisión con la cual podemos medir un sistema. En otras palabras, mientras más precisa sea la medición de una característica, menos será la medición de otra. Por ejemplo, el conocer con precisión la posición de una partícula restringe conocer con exactitud su velocidad.
Aunque suene extraño, la razón es bastante sencilla. Las partículas son extremadamente pequeñas, por lo cual cualquier intervención causa un efecto. Por ejemplo, al lanzar un rayo de luz a un electrón para determinar su posición, este causa una aceleración, por lo cual ya no es posible medir con exactitud la velocidad a la que estaba viajando antes de la medición.
El gato de Schrodinger: Erwin Schrodinger desarrolló un concepto conocido como la ‘probabilidad de la onda quántica’ en el que todo movimiento se expresa a partir de la probabilidad. En un sistema cuántico, se calcula la probabilidad de que éste se encuentre en cierto estado. Un ejemplo sería un átomo que será radiactivo después de una hora. Según la ecuación de Schrondinger, después de una hora el átomo estará a la misma vez en un estado radiactivo y en uno no radiactivo. En el momento que se lleve a cabo una medición del átomo, la probabilidad de la onda ‘colapsará’ en una de las dos probabilidades. Y el átomo pasará a ser o radioactivo o no radioactivo, exclusivamente.
Schrodinger planteó un ‘efecto observador’ en el que la realidad física está dividida en todas las posibilidades hasta el momento en que es observada. De tal manera que el acto de observar es lo que solidifica la situación de un estado quántico.
Schrodinger llevó este concepto al mundo de los objetos ‘grandes’ con un experimento de pensamiento, en el que se imagina un gato dentro de una caja con un frasco de veneno que será activado en el momento que el átomo se volviese radioactivo. De tal manera que hasta que se abra la caja o se tome una medición del átomo, el gato está al mismo tiempo muerto y vivo. Antes de la medición, la realidad es la onda de probabilidad misma.
El enredo cuántico: El concepto del enredo cuántico plantea que varias partículas pueden estar vinculadas de tal manera que tomar la medida de una afecta las características de la otra.
Tomemos dos fotones vinculados como ejemplo. Tomando en cuenta probabilidad de la onda de Schrodinger, se puede decir que ni uno de los dos tienen características determinadas antes de ser medidas. El acto de determinar, por ejemplo, la velocidad del fotón A causa que el fotón B inmediatamente asuma la misma velocidad.
Este efecto se ha medido en partículas vinculadas, aún si éstas están a una gran distancia una de la otra. Por lo cual varios físicos se han llegado a preguntar si la información viaja de una partícula a la otra, a una velocidad mayor a la de la luz.
Estos conceptos son apenas una breve introducción mundo subatómico, cuya belleza no se ve eclipsada por su complejidad.
