Este es el segundo artículo de una serie de cuatro, cada uno de ellos con 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 Telescope Array) y los detectores de radioondas de banda angosta que están siendo construidos por el Instituto SETI y la Universidad de California, Berkeley.|

En el primer artículo, discutimos el experimento de la doble ranura, y cómo una partícula cuántica de luz (un fotón) puede ser considerado como una onda de probabilidad hasta que es detectado realmente. En este artículo examinaremos otra característica de la física cuántica que impone restricciones fundamentales sobre lo que puede ser medido realmente, una propiedad básica descubierta por primera vez por Werner Heisenberg, en cuya forma más simple es conocida como “el Principio de Incertidumbre de Heisenberg”.

En los círculos científicos estamos quizás acostumbrados a pensar en la palabra “principio” como equivalente a “orden”, “certeza””, o “una ley universal”. De modo que el término “principio de incertidumbre” puede chocarnos algo así como si dijéramos “camarón gigante” o “huésped anfitrión”, en el sentido de yuxtaponer opuestos. Sin embargo, el principio de incertidumbre es una propiedad fundamental de la física cuántica, descubierto inicialmente por medio de un razonamiento algo clásico, una lógica fundada clásicamente que es todavía utilizada por muchos profesores de física para explicar hoy en día el principio de incertidumbre. Esta aproximación clásica es la de que si se observa una partícula elemental utilizando luz para verla, el mismo acto de impactar a la partícula con luz (aunque sea solamente un fotón) la quitaría del camino, de modo que no se podría decir dónde está realmente esa partícula, solamente se podría decir que ya no está donde estaba antes. La luz de longitud de onda más corta (el azul, por ejemplo, que tiene más energía) le imparte más energía a la partícula de la luz de longitud de onda más larga (roja, por ejemplo, que tiene menos energía). De modo que el utilizar una regla más pequeña (más precisa) de luz para medir la posición significa que uno “complica” más la posible posición de la partícula al “golpearla” con mayor energía. Mientras su “patrocinador”, Niels Bohr (quien discutió exitosamente con Einstein sobre muchos de estos asuntos) estaba de viaje, Werner Heisenberg publicó por primera vez su artículo sobre el principio de incertidumbre utilizando el razonamiento más o menos clásico ya expuesto (la desviación de la noción clásica era la idea de que la luz llega en pequeños paquetes o cantidades, conocidos como “cuantos”, como ya se discutió en el artículo uno). Sin embargo, el principio de incertidumbre llegaría a ser mucho más fundamental de lo que el mismo Heisenberg imaginó en su primer artículo.

El momento es un concepto fundamental en física. Se lo define clásicamente como la masa de una partícula multiplicada por su velocidad. Podemos imaginar una pelota de béisbol lanzada hacia nosotros a 100 kilómetros por hora y que tiene el mismo efecto que el bate de béisbol lanzado hacia nosotros a 10 kilómetros por hora: ambos tendrían aproximadamente el mismo momento, aunque sus masas son bastante diferentes. El principio de incertidumbre de Heisenberg afirmaba básicamente que si se comienza a conocer bastante bien el cambio de momento de una partícula elemental (normalmente, esto significa el cambio en la velocidad de una partícula), entonces se comienza a perder el conocimiento sobre el cambio en la posición de la partícula, es decir, de dónde está realmente localizada. Otra forma de expresar este principio, utilizando la relatividad en su formulación, se convierte en otra versión del principio de incertidumbre. La versión relativista expresa que a medida que se llega a conocer mejor la energía de una partícula elemental, no se puede conocer al mismo tiempo (es decir, a medir) con certeza el momento en que realmente tenía esa energía. De modo que tenemos, en física cuántica, lo que se ha dado en llamar “pares complementarios” (si se desea impresionar a los amigos, se los puede llamar también “observables no-conmutables”). Es posible ilustrar los resultados básicos del principio de incertidumbre con un balón no totalmente inflado. En un lado se podría escribir “delta-E” para representar la incertidumbre en el valor de energía de la partícula, y en el otro lado escribir “delta-t”, que representaría la incertidumbre sobre el instante en que la partícula tenía esa energía. Si oprimimos el costado delta-E (constreñir la energía de modo que quepa en la mano, por ejemplo), se observará que el lado delta-t se agranda. En forma similar, si se decide hacer que el lado delta-t quepa en la mano, el lado delta-E se agrandaría. Sin embargo, la cantidad total de aire en el balón no cambiaría, simplemente se movería. El valor total del aire en el balón de nuestra analogía es una cantidad, o un “cuanto”, la unidad más pequeña posible de energía en la física cuántica. Se podría agregar más aire al balón (haciendo que los valores fueran mayores, tanto en delta-E como en delta-t), pero nunca se podría obtener más de un cuanto de aire en el balón de nuestra analogía. De modo que los “balones cuánticos” no aparecen en paquetes menores a un cuanto, o fotón (resulta interesante que el término “salto cuántico” haya llegada a significar un gran cambio en alguna cosa, en lugar del menor cambio posible, y el orden de las definiciones del diccionario sobre “salto cuántico” ha cambiado ahora, con el significado popular como la primera, y el uso de la física como el segundo. Si uno le dice a su jefe, por ejemplo, “hoy hemos logrado un salto cuántico en nuestro progreso”, podría ser considerado, sin embargo, una honesta afirmación de que no se ha logrado ningún progreso en absoluto).

Cuando la física cuántica todavía era joven, Albert Einstein (junto a algunos colegas) retó a Niels Bohr (y a otros colegas) con acertijos cuánticos muy extraños. Algunos de ellos incluían efectos que parecían implicar que las partículas elementales, a través de esos efectos cuánticos, podían comunicarse a una velocidad mayor a la de la luz. Se sabe que Einstein opinaba que realmente no podíamos estar entendiendo correctamente la física si permitíamos que tales efectos pudieran tener lugar puesto que, entre otras cosas, tales conexiones más rápidas que la luz negarían el límite de velocidad impuesto por la relatividad. Einstein presentó varios experimentos mentales auto-evidentemente absurdos, siendo el más famoso de ellos la paradoja EPR (Einstein, Podolski, Rosen), llamada así por los tres autores de este artículo, que mostraba que la comunicación más rápida que la luz parecería ser el resultado de ciertos experimentos cuánticos y por lo tanto sostenía que la física cuántica no estaba completa, que debían quedar, todavía, algunos factores sin descubrir. Esto llevó a Niels Bohr y a sus asociados a formular la Interpretación de Copenhague de la realidad física cuántica. Esta interpretación (muy simplificada, en una cáscara de nuez) dice que no tiene sentido hablar de una partícula elemental hasta que ésta es observada, porque realmente no existe hasta que es observada. En otras palabras, las partículas elementales deberían ser consideradas no como hechas simplemente de fuerzas, sino que algunos de sus constituyentes que tenían que ser tenidos en cuenta eran el observador o el medidor también, y que el observador no podía realmente ser separado de la observación.

Utilizando las ecuaciones de onda formuladas por Erwin Schrödinger para las partículas cuánticas, Max Born fue el primero en sugerir que estas ondas de partículas elementales, ¡no estaban hechas de nada más que de probabilidades!. De modo que los constituyentes de todo lo que vemos están hechos de lo que podríamos llamar “tendencias a existir”, que se convierten en partículas cuando se les agrega el ingrediente esencial de la “observación”. Debe anotarse que llevó algún tiempo acostumbrarse a la observación como un ingrediente en sí mismo. Había otras posibles interpretaciones que podían seguirse, pero se puede decir que ninguna de ellas era consistente con cualquier tipo de realidad objetiva que un físico victoriano hubiera conocido antes. Las teorías más extravagantes podían ajustarse muy bien a los datos, pero ninguna de ellas permitía que las partículas formasen un universo que consistiera de nada sin tener al mismo tiempo una comunicación subyacente más rápida que la luz (teoría de David Bohm), o un universo paralelo que se ramificara del nuestro cada vez que se hiciera una minúscula decisión (la interpretación de los mundos múltiples), o la “vieja”favorita, donde el observador crea la realidad cuando mira (la interpretación de Copenhague).

Inspirado por todas estas teorías, un físico de CERN en Suiza, llamado John Bell, ideó un experimento que quizás podría poner a prueba algunas de estas teorías y comprobar con certeza cuán lejos estaba la física cuántica de la física clásica. Para entonces (1964), la física cuántica era lo suficientemente madura como para haberse distinguido de todas las otras físicas previas, al punto de que la física anterior a 1900 era denominada “física clásica” y la física descubierta después de 1900 (principalmente física cuántica) fue llamada “física moderna”. Así que, en cierto sentido, la historia de la ciencia está separada entre los primeros 46 siglos (si se comienza con Imhotep que construyó la primera pirámide, como el primer científico histórico) y el último siglo, con la física cuántica. De modo que se puede ver que somos muy jóvenes, en la edad de la física moderna, esta nueva visión fundamental de la ciencia. Podría incluso ser justo decir que la mayoría de la gente todavía no se ha dado cuenta, a pesar del siglo transcurrido, del gran cambio que ha tenido lugar en la base fundamental del comportamiento científico y de las interpretaciones de la realidad.

John Bell propuso un experimento que podía medir si una partícula elemental dada se podía “comunicar” con otra partícula elemental lejana a una velocidad mayor a la de la luz. En 1984, un equipo liderado por Alain Aspect en París realizó este experimento y, sí, este fue indudablemente el resultado aparente. El experimento tenía que ver con la luz polarizada. Para los propósitos ilustrativos, digamos que se tiene un contenedor de luz, y que la luz está ondulando por todo el lugar y (si el contenedor está recubierto con una sustancia reflectora, excepto en los extremos) está rebotando en las paredes. Uno podría imaginar una lata de spaghetti con los tallarines en todas las direcciones como las orientaciones de las ondas de luz aleatorias. En los extremos se colocan filtros polarizadores. Esto significa que únicamente la luz con una orientación dada (digamos como tallarines que están orientadas de arriba hacia abajo) puede salir, mientras que las ondas de luz tallarines que están orientadas de adelante hacia atrás no pueden salir. Si rotamos los polarizadores de ambos extremos en 90 grados, dejaríamos entonces salir a las ondas adelante-atrás, pero no a las arriba-abajo. Sucede que si se rotan los extremos de modo que queden a 30 grados uno del otro, aproximadamente la mitad de la luz podrá salir del contenedor (un cuarto por un lado y otro cuarto por el otro lado). Esto es bastante cercano a lo propuesto por John Bell y demostrado por Alain Aspect. Cuando la “botella” fue rotada en uno de los extremos, haciendo un ángulo de 30 grados con el otro lado de modo que solamente pudiera escapar la mitad de la luz, sucedió algo sorprendente, Antes de que la luz hubiera tenido tiempo para viajar desde el lado girado de la “botella” (en realidad un tubo largo) hasta el otro lado, la luz saliente del lado opuesto al que se había hecho girar cambió instantáneamente a un cuarto (o tan cercano a lo instantáneo que nadie pudo medirlo). De alguna forma, ese lado de la “botella” había recibido el mensaje de que el otro lado había sido girado, a una velocidad mayor que la de la luz. Desde entonces este experimento ha sido confirmado varias veces.

La formulación de John Bell de las ideas fundamentales de este experimento ha sido denominada “teorema de Bell” y puede ser expresado muy sucintamente en sus propias palabras: “la realidad no es local”. En otras palabras, no solamente las partículas elementales que componen las cosas que vemos a nuestro alrededor no existen hasta ser observadas (la interpretación de Copenhague), sino que no son, en el nivel más esencial, ni siquiera pasibles de ser identificados en forma separa de otras partículas que estén arbitrariamente lejos. John Muir, el naturalista del siglo XIX, dijo una vez: “cuando tratamos de aislar cualquier cosa por sí misma, la encontramos enlazada con todo el resto del universo”. Pues bien, se habría sorprendido de cuán literalmente (tanto en la física como en la ecología) ésto se había convertido en realidad.

En el próximo ensayo combinaremos el principio de incertidumbre con los resultados del teorema de Bell y aumentaremos la escala del experimento de la doble ranura hasta proporciones cósmicas, con lo que el colega de Einstein, John Wheeler, ha denominado “el universo participativo”. Esto significará hacer malabarismos al mismo tiempo con lo que es cognoscible y con lo que es incognoscible en el universo.

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Para obtener más información (en inglés), diríjase a los siguientes enlaces:
Werner Heisenberg: http://www.aip.org/history/heisenberg/
Nehls Bohr: http://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr
Albert Einstein: http://scienceworld.wolfram.com/biography/Einstein.html
John Bell: http://physicsweb.org/articles/world/11/12/8
Erwin Schrödinger: http://scienceworld.wolfram.com/biography/Schroedinger.html
Max Born: http://en.wikipedia.org/wiki/Max_Born