Mecánica Cuántica

El presente libro sólo debe leerse, en mi opinión, tras el disfrute previo de otros ensayos que traten al menos en parte sobre Mecánica Cuántica para sentar unas bases teóricas más o menos sólidas. Desde Fantasymundo, recomendamos un libro de la misma editorial, “El universo elegante”, de Brian Greene, reseñado aquí, que da una visión general, atrayente y fácilmente aprensible sobre el mundo cuántico, así como de la Teoría de las Supercuerdas y otras alternativas de descripción del universo físico.

Con ese armazón, puede acometerse la imprescindible lectura de “La realidad cuántica” (Crítica, disponible en FantasyTienda), ensayo escrito al alimón por los físicos españoles Andrés Cassinello Espinosa y José L. Sánchez Gómez. El primero es Ingeniero de Telecomunicación y doctor en Física. Ha publicado diversos trabajos de investigación y divulgación sobre mecánica cuántica y matemáticas. El segundo es catedrático de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid. Es autor de numerosos artículos de investigación sobre física de partículas elementales y mecánica cuántica y coautor de varios libros de enseñanza y divulgación de estas disciplinas. En la actualidad es Editor General de la Real Sociedad Española de Física y director de la Revista Española de Física y de la Revista Iberoamericana de Física.

Al contrario que la mayor parte de ensayos sobre mecánica cuántica, este que nos ocupa se dedica a presentar sus fundamentos y aplicaciones recientes, pero utilizando toda suerte de experimentos prácticos, para que el lector pueda comprender de forma bastante completa los tres principales conceptos que la definen: superposición, colapso y entrelazamiento. Esta difícil tarea se realiza sustituyendo las matemáticas involucradas en estos conceptos por ideas intuitivas que las simbolizan, y de esta forma cualquier lector iniciado puede comprender al menos en parte las complejidades a las que se enfrentan los físicos que investigan en este campo. Y por supuesto, las increíbles posibilidades que la mecánica cuántica ofrece.

Un libro que nos abre los ojos a un nuevo universo, tengamos o no una base previa de matemáticas, pero para el que necesitamos haber leído antes alguna obra divulgativa sobre el tema para conocer sus rudimentos.

Pese a ser un libro profundamente conceptual, lo práctico domina sobre todo lo demás, en una acertada combinación que aún no había encontrado en ningún otro ensayo dirigido al público generalista. Y ese es su gran valor, razón por la cual lo señalamos en nuestro artículo sobre las lecturas recomendadas de 2012.

Los conceptos están simplificados precisamente para maximizar todo lo posible la sencillez en la exposición, razón por la cual este libro se sirve como complemento de otros, que sí exponen en profundidad esos conceptos aquí casi dados por sobreentendidos. La ventaja es obvia: “La realidad cuántica” logra así llegar donde otros ensayos no son capaces, un paso más allá, para convertir la mecánica cuántica no sólo en un concepto, sino en algo material, en algo que los lectores pueden tocar con su mente, como si realizasen ellos mismos los experimentos. Al mismo tiempo, hay, en el propio corpus del texto, recuadros dirigidos a otros lectores, con nivel medio de matemáticas, para que puedan dar un paso más allá. Incluso hay unos apéndices que permiten ahondar aún más en la matemática cuántica.

Los autores de este libro son claros: en mecánica cuántica, pese a que hay no pocos conceptos observados y comprobados experimentalmente, no hay certidumbres; intentan explicar qué se conoce y cómo se ha llegado a las conclusiones. Las diferencias entre el mundo macroscópico –el que experimentamos cada día dentro de este pequeño sistema cerrado que es la Tierra y más allá, en los lejanos rincones del Universo- y el microscópico, el de las partículas, son radicales. En la mecánica cuántica puedes darte de bruces con dos situaciones aparentemente incompatibles, alterarás un fenómeno con sólo observarlo y algo que se haga en un lugar determinado puede afectar a objetos muy lejanos. De ello hablábamos también en nuestra reseña de “El universo elegante”.

La principal diferencia entre la física clásica y la cuántica es la superposición. Una partícula subatómica puede estar en una situación “suspendida” entre dos estados clásicos. Puede tomar, en un circuito dado, dos caminos distintos, y no sabremos cuál ha elegido hasta que llegue a un detector instalado ah hoc. La mecánica cuántica, en parte, se tiene por algo misterioso, casi inaprensible, tan radical es la diferencia entre la física clásica, que afecta a los cuerpos macroscópicos, y la cuántica, que afecta a las partículas. Este libro logra dibujar algunas de esas fronteras de forma experimental, visual. Especialmente revelador es el análisis de la desigualdad de Bell aplicada a esta lucha entre ambas formas de ver la realidad…

Realidad CuánticaLas indispensables aportaciones de Bohr, Schrödinger y Bohm –entre otros-, apóstoles de la mecánica cuántica, y de otros que, al oponerse a ella, forzaron a los primeros a desarrollar todo su potencial teórico, como Einstein, contribuyeron a una rama de la física que promete caracterizarla en su totalidad en un futuro, con aplicaciones que podrían revolucionar la tecnología a medio y largo plazo. “La realidad cuántica” logra darnos una visión del presente de la mecánica cuántica, pero también consigue que vislumbremos un futuro prometedor, en el terreno de las comunicaciones (hay un apartado dedicado a la criptografía), la informática y la medicina. Hoy día, pese a las brumas que esconden todo su potencial, la mecánica cuántica está plenamente asentada en la ciencia contemporánea, y las conclusiones experimentales que proporciona están generalmente aceptadas.

Desde los orígenes de la mecánica cuántica hasta los más avanzados experimentos contemporáneos, este libro supone una visión crítica y profundamente empírica de una realidad que no podemos ver a simple vista, pero que existe más allá de nuestros ojos macroscópicos, que nos exige un esfuerzo de la imaginación al principio para combatir lo que mal llamamos “sentido común”, pero cuya evidencia debemos aceptar tras la exposición de los experimentos aquí descritos.

La lectura de este libro me ha costado cierto esfuerzo, al llegar a un punto, aún tras haber disfrutado antes otros ensayos relacionados y disponer de una base más o menos sólida. Pero, ¿qué conocimiento que merezca la pena acude a nuestra mente sin mediar un trabajo constante? El secreto para lograr disfrutar del libro en toda su amplitud es la paciencia… no pasar al siguiente capítulo sin haber entendido antes lo que Andrés Cassinello Espinosa y José L. Sánchez Gómez nos exponen en cada uno con tanto acierto y relativa sencillez. Si logramos tener esa tranquilidad, sacarle el jugo a cada párrafo, nos habremos expuesto a uno de los conocimientos científicos más avanzados de esto que convenimos en llamar civilización.

En otras reseñas sobre Física he explicitado el contenido de la obra en cuestión bastante, de forma que su simple lectura sea didáctica, aunque no lleguéis al libro. En esta ocasión, para los rudimentos he preferido remitiros a la reseña de “El universo elegante” precisamente porque no puedo en una reseña introducir ciertos conceptos sin explicarlos profundamente y ocupar más de lo que conviene en una simple introducción a un libro. Sobre todo si he de repetirme para ello. Esto es aún más cierto con “La realidad cuántica”, ya que su valor se basa en los experimentos que se muestran en este libro.

Os dejo, sin embargo, con el primer experimento mostrado, que pertenece al grupo de los iniciales en mecánica cuántica, la base del resto de los que encontraréis en este libro. Lo reproduzco tal cual:

“Cuando la luz de un láser incide en un espejo semirreflector colocado como muestra la figura, lamitad de la luz se refleja y la otra mitad se transmite.

Espejo semirreflector mecánica cuántica

Reducimos la intensidad de la luz que llega a E hasta que en los detectores no haya más que un “clic” cada vez. Hace 50 años eso sería sólo un experimento de los llamados imaginarios. Con los láseres actuales se consigue de manera rutinaria.

Tendremos una sucesión de clics, unos en D1 y otros en D2. Cada clic corresponde a la llegada de una partícula. Esa partícula es un fotón. Es la mínima cantidad de luz que puede generarse, la porción de luz más pequeña que existe, el paquete elemental, el ‘cuanto’ indivisible de luz.

Observamos que cada vez salta uno de los dos detectores, nunca los dos a la vez. Se van alternando aleatoriamente los detectores D1 y D2. Observamos, además, al hacer el recuento de detecciones, que se obtiene aproximadamente el mismo número de clics en cada detector.

Esto quiere decir que unas veces se ha transmitido el fotón y ha seguido la ruta B y otras se ha reflejado y seguido la ruta A (véase la figura 2.2).

Entendemos, entonces, que el fotón elige aleatoriamente uno de los dos caminos posibles: o bien se refleja en E y sigue el camino superior, A, o bien se transmite en E y sigue el camino inferior, B.

Como habíamos dicho al hablar de la ecuación de Schrödinger, todo objeto cuántico viene caracterizado por una función de onda ψ (psi, en el alfabeto griego). Veamos cuál es la función de onda en este experimento.

El fotón tiene igual probabilidad de ir por el camino A o por el camino B. Designaremos por A> a la función de onda del fotón si va por arriba, y B> si sigue el camino de abajo. De manera que si el fotón incide en D1 tendrá función de onda |ψA> y si incide en D2 tendrá función de onda |ψB>.

Las dos alternativas son excluyentes: o el fotón pasa por arriba con función de onda |ψA> o pasa por abajo con función de onda |ψB>. Con este experimento averiguamos qué ruta sigue el fotón”.

Como veis, se introducen conceptos básicos de forma simple, y de paso nos iniciamos en la nomenclatura básica de la mecánica cuántica. Los experimentos van complicándose de forma gradual, así que una vez que entendemos los primeros estaremos capacitados, para al menos en un nivel básico, aprehender los demás.

En definitiva, un libro que nos abre los ojos a un nuevo universo, tengamos o no una base previa de matemáticas, pero para el que necesitamos haber leído antes alguna obra divulgativa sobre el tema para conocer sus rudimentos. Una nueva muestra de la fantástica colección Drakontos de la editorial Crítica, serie de libros imprescindible dirigida por uno de los más concienzudos divulgadores españoles, José Manuel Sánchez Ron.

Cuando te encuentras con la mecánica cuántica como estudiante, curva tu mente y no puedes creer que pueda ser así. Y pensarás que es ridículo. Excepto que puedes ir y hacer experimentos que muestran que es realmente lo que pasa, así funciona la naturaleza. Así que, más allá de lo que puedas pensar que tiene sentido o no, mejor intentar entenderlo Peter Skands.

Pienso que se puede afirmar tranquilamente que nadie entiende la mecánica cuántica… No te pongas a repetir, si puedes evitarlo ‘¿pero cómo puede ser así?’ porque te irás por un colador hacia un callejón sin salida del que nadie ha escapado. Nadie sabe cómo puede ser así.” Richard Feynman.

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