Esta es una serie de cuatro artículos, cada uno de los cuales contiene una explicación separada de diferentes fenómenos cuánticos. Cada uno de los cuatro artículos es una pieza de un mosaico, de modo que cada uno de ellos es necesario para comprender la explicación final del experimento de astronomía cuántica que proponemos, utilizando posiblemente el Conjunto Allen de Telescopios (Allen Array Telescope) y los detectores de radioondas de banda angosta que están siendo construidos por el Instituto SETI y la Universidad de California, Berkeley.|

Con el éxito de películas recientes tales como “What the &$@# Do We Know?“ y las continuas (y continuamente sorprendentes) revelaciones sobre la inesperada naturaleza de la realidad subyacente que se han estado develando en la física cuántica por los últimos tres cuartos de siglo, podría no resultar particularmente sorprendente que la naturaleza cuántica del universo pueda realmente estar haciendo ahora incursiones en lo que previamente había sido considerado como astronomía observacional clásica. Por décadas, la física cuántica ha sido aplicada a la cosmología, y a la extraña física “singular” de los agujeros negros. También es aplicable en efectos macroscópicos tales como los condensados Einstein-Bose (conglomerados extremadamente fríos de material que se comportan de formas no-clásicas) y a las estrellas neutrónicas, e incluso a las enanas blancas (que evitan el colapso no por la fusión nuclear sino por el principio de exclusión de Pauli, un proceso en el cual no pueden existir dos partículas elementales en el mismo estado cuántico y, por lo tanto, en cierto sentido, no pueden colapsar una en la otra).

Bien, felicitaciones si han podido pasar por el primer párrafo de este ensayo. Honestamente, no puedo decirles que las cosas mejorarán, pero sí les puedo decir a los intrépidos lectores que las cosas se pondrán aún más interesantes. El famoso físico cuántico Richard Feynmann dijo una vez, esencialmente, que cualquiera que creyera que entendía la física cuántica, no la entendía lo suficiente como para comprender que en realidad no la entendía. En otras palabras, ninguna interpretación clásica de la física cuántica es correcta. Universos evolucionando paralelamente (creándose uno cada vez que se efectúa una elección a nivel cuántico), interconexión más rápida que la luz subyaciéndolo todo, nada que exista hasta que es observado, estas son unas pocas de las interpretaciones de la realidad cuántica que son consistentes con los experimentos y las observaciones.

Hay muchas formas en las que podríamos ahora continuar examinando los resultados cuánticos. Si la observación consciente es necesaria para la creación de un electrón (este es un aspecto de la Interpretación de Copenhague, la versión más popular de las interpretaciones de la física cuántica), entonces las ideas sobre el origen de la conciencia deben ser revisadas. Si los electrones en la mente crean la conciencia, pero los electrones requieren la conciencia para poder existir, entonces uno se ve atrapado en un razonamiento circular, en el mejor de los casos. Pero para este ensayo, no discutiremos la biología cuántica. Otro camino que podríamos seguir sería la aplicación de la física cuántica a la cosmología, ya sea al origen inflacionario del universo, o la evaporación de Hawking de los agujeros negros, como ejemplos. Pero nuestro ensayo tampoco trata sobre este vasto campo. Hoy discutiremos aumentar la escala del simple experimento de laboratorio de la doble ranura hasta las distancias cósmicas, algo que podría ser llamado realmente “astronomía cuántica”.


Crédito por la imagen: Universidad de Colorado en Boulder

El experimento de laboratorio de la doble ranura contiene un montón de los mejores aspectos de lo extraño de la física cuántica. Puede involucrar a varias clases de partículas elementales, pero para la discusión de hoy hablaremos únicamente sobre la luz, cuya naturaleza como partícula es llamada “fotón”. Una luz que brille a través de un pequeño orificio o ranura (como una cámara oscura” crea un punto de luz en la pantalla (o en la película, o en el detector). Sin embargo, la luz que se muestra a través de dos ranuras que estén muy juntas no crea dos puntos en la pantalla, sino una serie de líneas alternadas brillantes y oscuras, con la más brillante de ellas en el medio exacto del patrón de interferencia. Esto demuestra que la luz es una onda, ya que un patrón de ese tipo resulta de la interferencia de las ondas que llegan de la ranura uno (a la que llamaremos “A”) con las ondas que provienen de la ranura dos (a la que llamaremos “B”). Cuando los picos de las ondas de la fuente A se encuentran con los picos de la fuente B, se suman y se producen las líneas brillantes. Sin embargo, no muy lejos a su izquierda y a su derecha, los picos de A se encuentran con los valles de B (porque las crestas de las ondas de luz ya no están alineadas) y se produce una línea oscura. Esto se va alternando a cada lado hasta que la visibilidad de las líneas se desvanece. A este patrón se lo llama, simplemente, “patrón de interferencia” y Thomas Young utilizó este experimento para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz a principios del siglo XIX.

Sin embargo, en el año 1900 el físico Max Plank demostró que otros ciertos efectos en física solamente podían ser explicados si la luz era una partícula. Siguieron muchos experimentos para demostrar que, de hecho, la luz era también una partícula, y Albert Einstein recibió el premio Nobel en 1921 por su trabajo que demostraba que la naturaleza de partícula de la luz podía explicar el “efecto fotoeléctrico”. Este era un experimento donde la luz de baja energía (roja), cuando se aplicaba sobre un material fotoeléctrico, hacía que este material emitiera electrones de baja energía (de movimiento lento), mientras que la luz de alta energía (azul) hacía que el mismo material emitiera electrones de alta energía (de alta velocidad). Sin embargo, una gran cantidad de luz roja solamente producía más electrones de baja energía, y nunca electrones de alta energía. En otras palabras, la energía no podía ser “ahorrada”, sino que debía ser absorbida individualmente por los electrones en el material fotoeléctrico. La conclusión fue que la luz venía en paquetes, en pequeñas cantidades, y así se comportaba tanto como una partícula o como una onda.

De modo que la luz es a la vez una partícula y una onda. Bien, es algo inesperado, pero quizás no totalmente extraño. Pero el experimento de la doble ranura guarda otro truco bajo la manga. Se podía enviar un fotón (o “cuanto” de energía) a través de una sola ranura a la vez, con un intervalo suficientemente largo en el medio, y eventualmente surgiría un punto que luciría como el producido cuando una luz muy intensa (muchos fotones) pasara a través de la ranura. Pero ocurrió algo muy extraño. Cuando se envía un único fotón a la vez (esperando entre cada pulso láser, por ejemplo) hacia la pantalla cuando las dos ranuras están abiertas, lo que eventualmente se forma es un patrón de líneas oscuras y brillantes alternadas. Hmmm... ¿cómo puede suceder ésto, si solamente un fotón a la vez era enviado a través del aparato?.

La respuesta es que cada fotón individual debía (para poder producir un patrón de interferencia) haber pasado a través de ambas ranuras. Este, el más simple de los experimentos sobre la rareza cuántica, ha sido la base para muchas de las interpretaciones intuitivas de la física cuántica. Podemos entender, entonces, cómo los científicos concluyen, por ejemplo, que una partícula de luz no es una partícula hasta que se la mide en la pantalla. Sucede entonces que una partícula de luz es más bien una onda antes de ser medida. Pero no es una onda en el sentido de una ola de mar. No es una onda de materia sino que, aparentemente, es una onda de probabilidad. Es decir, que las partículas elementales que conforman a los árboles, a la gente y a los planetas, a todo lo que vemos a nuestro alrededor, son aparentemente distribuciones de posibilidades hasta que son medidas (es decir, medidas u observadas). ¡Ésto es lo que quedó de la visión victoriana sobre la materia sólida!.

El choque de que la materia es principalmente espacio vacío puede haber sido suficiente extremo; si un átomo fuera del tamaño de una gran cátedra, entonces los electrones serían partículas de polvo flotando alrededor por todo el interior del edificio, mientras que el núcleo, o centro del átomo, sería más pequeño que un cubo de azúcar. Pero con la física cuántica, aún este tenue resultado sería superado por el de que el átomo en sí mismo no sería nada que existieran hasta que fuera medido. Se podría justamente preguntar, entonces, ¿qué significa medir algo?. Y ésto nos trae al Principio de Incertidumbre, descubierto por primera vez por Werner Heisenberg. El Dr. Heisenberg escribió: “algunos físicos preferirían volver a la idea de un mundo real objetivo cuyas partes más pequeñas existen objetivamente en el mismo sentido en que las piedras o los árboles existen independientemente de que los observemos o no. Sin embargo, ésto es imposible”.

Quizás éso es suficiente para meditarlo, por ahora. De modo que en el próximo ensayo examinaremos, con algún detalle, el principio de incertidumbre en la forma que se relaciona con lo que en la física cuántica es llamado “el problema de la medición”. Hallaremos que el principio de incertidumbre será la clave para realizar el experimento de la doble ranura en distancias astronómicas, y demostrar que los efectos cuánticos no son solamente fenómenos microscópicos, sino que pueden ser extendidos a lo largo del cosmos.