Lo Cuántico
Dr. Antonio A. Hage Made
Ingenua pretensión de entrar en el
apasionante mundo de la mecánica cuántica
La física nos ha llevado, en el
devenir histórico, desde casi nada a casi todo al ocuparse de las leyes y de
los fenómenos de la naturaleza que tienen que ver con las fuerzas y con las
propiedades generales de la materia. Su base ha sido la objetividad, la
visibilidad, la demostración fehaciente del fenómeno, lo que le ha permitido
sentar principios aparentemente inamovibles que perduran.
Así, objetiva, clara, newtoniana
-permitan la adjetivación- la conocimos nosotros y nuestros condiscípulos. Así
ha continuado hasta hace relativamente unos pocos años en que parece haber
entrado en colisión con “la otra física”, con la cuántica, cuando ésta comenzó a desentrañar el átomo.
He de adelantar que el conocimiento de
lo poco que en principio aprendí, y hoy sé mejor, del mundo cuántico me
entusiasmó. Fue en una época en la que nos reuníamos un exiguo grupo de médicos
jubilados que aunque sobrepasados por la envergadura de lo que discutíamos nos
habíamos instalado en la metafísica y en la trascendencia más por causa de nuestras
edades que por los conocimientos que atesorábamos.
El entusiasmo por lo esotérico, por un mundo
nuevo sugestivo y atrayente que parecía poder explicar nada más y nada menos -entre
otras cosas- que la capacidad de la mente para crear, para transcender, para indagar
en la propia génesis del universo y en algo tan sugestivo como el pensamiento y
la conciencia, nos obnubiló hasta el punto de arrumbar a la física clásica. En
esa obsesión y entusiasmo estábamos cuando uno de nosotros, dando un puñetazo
sobre la mesa dijo: ¡hasta aquí hemos llegado! nosotros no somos nadie para
contraponer, como estamos haciendo, física newtoniana a física cuántica aunque estemos
mirando arrobados hasta donde ha llegado esta última; reparemos, continuó, en
que estamos hablando de dos físicas diferentes, una, clásica, determinista; otra,
cuántica, probabilística, que ha llegado tan lejos que ha hecho de lo
microscópico y de lo ultramicroscópico un nuevo y apasionante mundo dentro de la
propia física.
Mejor diríamos, terció otro contertulio, que
estamos contemplando dos caras de una misma ciencia: la de la física.
¡De acuerdo!, fue la unánime
conclusión a la que se llegó.
En esa tesitura nos encontramos
todavía ahora. Expectantes, perplejos, viendo el nuevo e inédito derrotero que
ha tomado la ciencia en los últimos tiempos en los que la física clásica,
determinista, puede parecer que va llegando a su límite y en el que a la
cuántica, posibilista, se le abren sobrecogedores e inéditos caminos con perspectivas
que hoy por hoy nos parecen casi un sueño.
El determinismo científico lo que nos
dice, grosso modo, es que todo lo que acontece tiene una causa. Que si
conociéramos todas las leyes físicas del universo y las partículas que lo
forman podríamos predecir el futuro de forma determinista y que cuando muchos
de los efectos de los que hablamos no se pueden predecir nos podríamos
encontrar ante el azar.
El probabilismo es otra cosa. Es, en
verdad de Perogrullo, una aproximación al universo de la probabilidad. La de que
un suceso acontezca en un momento determinado sin especificar cuando ocurrirá. Así,
dadas unas condiciones iniciales, la mecánica cuántica mantiene que coexisten
muchos estados posibles con una cierta probabilidad.
Desde lo anteriormente expuesto, comenzamos
nuestro relato sobre un problema elaborado, en su parte técnica, con la voz de
otros y al que le hemos echado mucha imaginación
para poder sacarlo adelante teniendo en cuenta la escasa formación física que
poseemos y a que la teoría cuántica, como casi todas las teorías científicas,
es la obra resultante de una gran variedad de esfuerzos personales realizados
por muchos en muy diversos lugares.
La Historia nos recuerda:
“hace un siglo, el 14 de diciembre de
1900, en una conferencia impartida por el profesor Max Planck de la Sociedad de
Física de Berlín, se habló por primera vez de la física cuántica. En esa
ocasión Planck dio a conocer una forma de describir el comportamiento del color
de la luz producido por un cuerpo caliente. Este fenómeno no es totalmente
desconocido pues se sabe por experiencia que si se calienta un pedazo de hierro
éste se hace luminoso -tanto más brillante cuanto más caliente- y que su luz,
como la solar, está compuesta por una extensa gama de colores que nos recuerdan
el arco iris.
Para precisar el color de una luz se
le asigna una cantidad llamada frecuencia. Cuando la luz pasa del rojo al
amarillo y luego al violeta la frecuencia crece. Si se sigue aumentando la
frecuencia, la luz se hará invisible para nuestros ojos y diremos que se trata
de luz ultravioleta. El crecimiento de la frecuencia nos conducirá a otras
luces: a los rayos X y a los llamados rayos gamma. La organización de las luces
en términos de sus frecuencias constituye el espectro electromagnético y la
teoría correspondiente ya estaba firmemente establecida cuando Planck realizó
sus estudios. Sin embargo, su aplicación a la emisión de luz por un cuerpo
caliente predecía algo absurdo: que el aumento de temperatura haría crecer sin
límite la frecuencia.
Max Planck se había doctorado en la
Universidad de Munich y especializado en termodinámica, esto es, en el estudio
de las propiedades de la materia relacionadas con las condiciones a las que
está sujeta, en especial su temperatura. Una característica esencial del
estudio termodinámico es que puede tratar un objeto sin necesidad de detallarlo
demasiado y por ello podemos saber mucho del comportamiento de un gas sin tomar
en cuenta que está hecho de partículas.
Desde finales del siglo pasado se
sabía cómo usar la mecánica para explicar las conclusiones de los estudios de
termodinámica en términos de las componentes básicas del objeto en
consideración, por ejemplo, la presión que ejerce un gas como resultado de que
está hecho de partículas.
Volvamos al pedazo de hierro y
pensemos en su calentamiento. Si tal objeto tuviera cavidad interna -una
burbuja que quedó atrapada dentro de él, por ejemplo- al calentarlo llenaría la
cavidad y tendríamos una especie de frasco repleto de luz. No es extraño
entonces estudiar la luz como un gas y preguntarse acerca de sus compuestos. Es
preciso señalar aquí algo que podría parecer paradójico: un buen emisor puede
ser también un gran absorbente, esto es, los objetos luminosísimos son la otra
cara de los hoyos negros. Esto es claro si se piensa que una cavidad repleta de
luz podría dejar escapar un haz de gran luminosidad, mientras que la misma
cavidad, cuando está totalmente vacía, guardaría toda la luz que entrara en
ella. De ahí que los físicos se refieran al trabajo de Planck como el estudio
de la radiación del cuerpo negro.
Albert Einstein, principalmente por
sus teorías de la relatividad, fue uno de los primeros en aprovecharse de las
hipótesis de Planck. En 1905 publicó una explicación del efecto fotoeléctrico
en la producción de electricidad por la incidencia de luz en metales por lo que
años después le fue otorgado el Premio Nobel de física. Einstein consideró la
luz como un gas formado por un gran número de partículas cuyas energías seguían
el comportamiento de los quanta (cuantos) de Planck y explicó el efecto
fotoeléctrico como el resultado de la incidencia de las partículas de luz sobre
los electrones del metal.
Los electrones habían sido
descubiertos ocho años antes por el físico inglés Joseph John Thompson. Ahora
sabemos que la luz y la electricidad tienen estructura granular: la luz se
compone de partículas llamadas fotones y la electricidad de electrones.
A partir de 1926, el
desarrollo de la mecánica cuántica fue espectacular. En ese año el físico
austriaco Erwin Schrödinger formuló la famosa ecuación que desde entonces lleva
su nombre; con ella, los físicos iniciaron la construcción del edificio que
alberga ahora las explicaciones de los fenómenos atómicos y moleculares. Poco
después se puso en limpio la estructura matemática de la teoría cuántica,
especialmente tras los trabajos de Paul Adrien, Maurice Dirac y John von
Neumman.”
Los logros de la mecánica cuántica
fueron desde entonces tantos que no resulta fácil resumirlos. Entre otras cosas,
y como su consecuencia, porque la lista de problemas ha ido creciendo paralelamente.
Planteémonos ahora:
¿Estamos con lo relatado contraponiendo
física clásica a física cuántica cuando ambas son, como decía uno de nuestros
contertulios, dos caras de una misma materia? No, por dos razones fundamentales: la primera,
porque la física clásica es entendible ¡física al fin! desenvolviéndose en el
rigor y la claridad de las ciencias exactas y bajo el paraguas de las matemáticas
que le permiten conocer y desentrañar sus bases, sus postulados, las claras
conclusiones matemáticas aplicadas a ella. La segunda, porque la física cuántica,
por su carácter probabilista y casi en ciernes (?) parece seguir -aunque no sea
así- una senda aparentemente alejada del razonamiento matemático lógico y
deductivo, tan característico de las ciencias exactas, pareciendo querer ocupar
un lugar diferente y hasta alejado de la propia física conocida al mostrarse
aparentemente ¡sólo aparentemente! más cercana, más próxima, a la especulación propia
de otras ciencias, caso de la metafísica, la filosofía e, incluso, la teología,
que la llevan a aparecer como una física nueva, inédita, insospechada, que
quiere comprometerse, nada más y nada menos, que con la esencia, con la naturaleza
de la propia existencia y de la vida misma en sus aspectos más oscuros y
trascendentes; es decir, con los de la mente y la conciencia pero también con el
Génesis, arcanos insondables todos ellos que nadie ha sabido con certeza absoluta
cómo abordarlos y que la mecánica cuántica parece dispuesta a hacerlo en su condición de física
en el sentido amplio que abarca el término.
La mecánica cuántica es hoy por hoy
un problema crucial de la ciencia ¡y una esperanza! Se mueve, repetimos, entre la realidad de ésta
pero también en la especulación, la conjetura, la suposición, mientras busca afanosamente
su justo lugar en el vasto y apasionante mundo de las ciencias exactas con la pretensión
de encontrar encaje en el no menos vasto mundo en el que el ser humano trata de
hallar su primigenio origen y, en paralelo y como consecuencia, la razón última
de su ser.
Nosotros admiramos el valor de los actuales
investigadores que han puesto tan arduo y aparentemente irresoluble problema -el
más apasionante de todos los que conocemos ya que trata la mente, la conciencia,
la naturaleza y el origen de la vida misma- en manos de la mecánica cuántica
cuando ésta, vista por un profano que necesita comprender y sustentar sus
opiniones en hechos y en datos concretos dada su formación newtoniana, no
parece tener para él ¡perdonen la herejía! soporte básico concreto sobre el que
armar toda su estructura porque no parte,
aparentemente, de lo objetivo, de lo visible, de lo tangible.
No obstante lo dicho, este profano, rebuscando, ha encontrado con
satisfacción una argumentación sugestiva -que expone a continuación- que entiende
plausible y capaz de sostener el importante andamiaje del que viene hablando
con pasión la física cuántica.
Argumentación, ad hoc, hallada a lo
que venimos tratando:
Esa argumentación la he encontrado en
la exposición que hace del problema el físico Heinz R. Pagel, que dice sobre el
punto concreto que nos interesa resaltar:
“La idea del átomo como la partícula
más pequeña del universo fue descartada ante el descubrimiento de que el propio
átomo está compuesto por elementos subatómicos más pequeños aun. Más demoledor
que el descubrimiento de esas partículas subatómicas fue la revelación de que
los átomos emitían distintas “energías extrañas” como los rayos X y la radiactividad.
A comienzos del siglo XX, apareció
una nueva remesa de científicos cuyo objetivo era averiguar la relación
existente entre la energía y la estructura de la materia. Menos de diez años
después, los físicos desecharon su fe en el universo material newtoniano porque
llegaron a darse cuenta de que el universo no está formado por materia
suspendida en el espacio, sino por energía.
Los físicos cuánticos descubrieron que los
átomos físicos están compuestos por vórtices de energía que giran y vibran de
forma constante; cada átomo es como una peonza inestable que irradia energía. Puesto
que cada átomo posee energía característica (inestable) las agrupaciones de
átomos (moléculas) irradian en conjunto unos patrones de energía específicos.
Cada estructura material en el universo -lo que nos incluye a todos- irradia un
sello de energía único y característico.
Si fuera posible observar ¡y es el aspecto
más importante del trabajo que transcribimos! la composición de un átomo al
microscopio, ¿qué veríamos? Imagínate un remolino de polvo que se mueve a
través del desierto. Ahora elimina la arena y la suciedad del remolino. Lo que
te queda es un vórtice invisible similar a un tornado. Pues bien, el átomo está
formado por un cierto número de vórtices infinitesimales similares a esos torbellinos
de arena que denominamos fotones. Desde lejos, el átomo parecería una esfera
borrosa. A medida que se fuera enfocando y acercando la lente, el átomo se
haría menos claro y definido. Si nos acercáramos a su superficie, el átomo
desaparecería. No verías nada. De hecho, si enfocaras la estructura al completo
del átomo, lo único que verías sería un vacío físico. El átomo no tiene
estructura física: ¡los átomos están formados por energía invisible, no por
materia tangible! Así pues, en nuestro mundo, la sustancia material (la
materia) aparece de la nada. Algo bastante extraño, si nos paramos a pensarlo.
La materia puede definirse de forma
simultánea como un sólido (una partícula) y como un campo de fuerza inmaterial
(una onda). Cuando los científicos estudian las propiedades físicas del átomo,
como la masa y el peso, el átomo tiene la apariencia y el comportamiento de la
materia física. Sin embargo, cuando esos mismos átomos se describen en términos
de potenciales de voltaje y longitudes de onda, muestran las cualidades y
propiedades de la energía (de las ondas).
El hecho de que la energía y la
materia sean una misma y única cosa es precisamente lo que Einstein reconoció
al expresar su fórmula E = mc². Para Einstein, no vivimos en un universo con
cuerpos físicos independientes separados por espacio muerto. El universo es un
único e indivisible agujero dinámico en el que la energía y la materia están
tan estrechamente relacionadas que resulta imposible considerarlas elementos independientes”.
Las explicaciones dadas por R. Pagel
nos parecían razonables y entendibles pero era necesario y natural contrastarlas
con otras. Elegí para ello -por lo avanzado de los razonamientos- parte de lo
que expone el profesor de Información Cuántica de la Universidad de Oxford
Vlatko Vedral que me adelanto a decir que nunca entendí bien y que lo que entendí
difícilmente lo comparto porque no tiene encaje en el mundo de la física que he
conocido ni en el de la ontología del ente, del ser.
Elegí, asimismo, opiniones y trabajos
de otros investigadores. Del físico matemático de Oxford Sir Roger Penrose
defensor de la teoría de la conciencia basada en la física cuántica y en una
Ciencia de la Conciencia en un intento por dar a conocer el “problema duro” de
cómo y por qué la mente subjetiva parece surgir de la mente objetiva. Basa Penrose
sus estudios sobre pequeñas estructuras o microtúbulos que se encuentran en
todas las células, especialmente en las neuronas. Los microtúbulos son cadenas
moleculares; polímeros cilíndricos compuestos por patrones repetitivos de una
proteína simple llamada tubulina. Sus trabajos acerca de la relación entre
física cuántica y conciencia son apasionantes aunque los dejemos
momentáneamente al margen porque requieren una especial atención y no es este
el momento de ocuparnos en profundidad de ellos.
Igual consideración hacemos hacia otro
insigne pensador consultado: David Bohm, el científico americano de Pensilvania
que formó parte del grupo de Berkeley, que trabajó en la teoría de la
relatividad y que enriqueció su pensamiento con una proyección filosófica partiendo
desde la física cuántica. Bohm indagó -especialmente en la última etapa de su
vida científica- en la naturaleza de la conciencia y en la espiritualidad con interesantes
trabajos de neuropsicología interesándose en su integración: en la unidad de energía,
mente y materia relacionando aspectos conceptuales que incluyen a la física, a las
matemáticas, al psiquismo y a la metafísica.
Ambos investigadores merecen un
tratamiento particularizado que dejamos para mejor ocasión soslayando sus planteamientos
momentáneamente porque son complejos y encierran muchas dificultades de interpretación.
Retomemos la “información” de Vedral:
Dice Vedral categórico: El universo
no está compuesto de materia ni de energía sino de “información”. Bajo esa premisa
fundamental monta todo su razonamiento sobre mecánica cuántica que resume y
completa bajo los siguientes apartados que extractamos de lo publicado por la
Cátedra de Ciencias, Tecnología y Religión (Tendencia de las Religiones) de la
Universidad Pontificia de Comillas (Madrid). Son los siguientes:
La escala más pequeña del universo -la
que se rige por las leyes de la
física cuántica- parece un desafío al sentido común.
Antes de que existiera materia o
energía, existía ya información.
Los objetos subatómicos pueden estar en
más de un sitio a la vez.
Dos partículas en extremos opuestos
de una galaxia pueden compartir
información instantáneamente.
El mero hecho de observar un fenómeno
cuántico puede modificarlo
radicalmente.
Apartados en los que hay que subrayar
al primero de ellos ¡pues no! fácil de comprender y de explicar y que puede ser
asumido sin más consideraciones. Al contrario de los otros que tienen una más difícil
interpretación pero que han resultado cruciales para los investigadores de la
física cuántica cuando estos se han puesto a razonar -cada uno a su aire, según
el grupo de investigación al que pertenecen- no sólo sobre “información”-pilar básico
que soporta las conclusiones de Vedral y de sus epígonos- sino sobre otros
aspectos de lo cuántico, ya esbozados, que encierran igual o mayor dificultad
de comprensión para el común de los mortales que intentan ¡intentamos! entender,
desentrañar, la nueva física, la cuántica -variante de la física clásica- que, hoy
por hoy, resulta fundamental para llegar
a interpretar la esencia, tanto material como espiritual, de la vida misma.
Expongamos en torno a todo ello unas
pocas aclaraciones -de las que tendría que ocuparse un especialista en
informática porque a nosotros nos cae lejos- que pueden ayudar en el problema
que nos ocupa. Son las siguientes:
Computación es sinónimo de informática.
Como tal, se refiere a la tecnología desarrollada para el tratamiento
automático de la información mediante el uso de computadoras u ordenadores.
La computación cuántica es un paradigma de computación distinta al de la
computación clásica.
La informática es el conjunto de
conocimientos que se ocupan del tratamiento automático de la información por
medio de computadoras.
Información: Unidas todas las teorías sobre
el concepto, se llega a la conclusión de que son datos sobre un suceso o
fenómeno particular que al ser ordenados en un contexto sirven para disminuir
la incertidumbre y aumentar el conocimiento sobre un tema especifico. Su base
es el uso de qubits -en lugar de bit- y da lugar a nuevas puertas lógicas que
hacen posibles nuevos algoritmos.
El qubit es la unidad mínima de
información cuántica; permite procesar toda la información existente en
segundos. El bit es la unidad mínima de información clásica. La diferencia
principal entre ellos es que el bit tradicional sólo puede entregar resultados
binarios (0 y 1) mientras que el qubit, aprovechando las propiedades de la
mecánica cuántica, puede tener ambos valores al mismo tiempo lo que habilita una
velocidad de procesamiento mucho mayor.
Lo cuántico es la unidad mínima de
energía. El concepto se refiere a lo vinculado con unos ciertos saltos de la
energía al emitir o absorber radiación.
De todo lo anterior se deduce que en el mundo
cuántico, las partículas subatómicas logran existir en múltiples estados de
forma simultánea. Esto es, pueden estar, literalmente, en dos lugares a la vez
o poseer un número de propiedades de otra forma mutuamente exclusiva. Pueden
encontrarse en esas y en otras situaciones que ya hemos expuesto tomadas de los
diferentes investigadores de la física cuántica y que ésta resume y expresa en una
frase muy demostrativa -también muy sorprendente- que dice: ¡en el mundo
cuántico las cosas pueden ser o no ser, ambas a la vez! que nos deja, como
poco, perplejos mientras meditamos sobre ella.
Vedral, con respecto a la “información”,
ha dado su interpretación del universo en base al concepto que toma del ingeniero
Claude Shannon que fue quien desarrolló la forma matemática de la hoy llamada “teoría
de la información”; aunque el concepto de información ya existía mucho antes de
Shannon que lo que hizo fue habilitar técnicas físicas de ingeniería para el
tratamiento de los procesos de información, recepción, almacenamiento,
recuperación... ya existente en la naturaleza no sólo en el mundo biológico, sino,
incluso, en el físico.
Dejamos aquí esta parte de lo cuántico que
no queremos alargar más por las dificultades que encierra la física en general
y en particular ésta, la cuántica, no sólo para nosotros, también, creemos, para
quienes nos leen.
Nos preguntamos para concluir:
¿Por qué la mecánica cuántica excediéndose
-creemos nosotros- ha decidido entrar con todo su arsenal en una nueva
dimensión de la vida, en el de la naturaleza del ser humano, en el de sus orígenes,
en el del Génesis, por decirlo en una palabra?
¿Cree lo cuántico que ha llegado la hora de
explicar y aclarar, con absoluta seguridad y certeza, que lo material, lo objetivo
y “palpable” de la vida, puede surgir de lo inmaterial, de la nada más o menos
visible? ¿O no es de la nada, ex nihilo, de un aparente vacío, de donde parece
surgir este tipo de física que puede terminar por hacerse “de la otra”, de la
clásica?
¡Le va a ser difícil lograrlo! En
disyuntiva, por dos razones: O porque le queda una larguísima etapa por
recorrer o porque el camino del ser vivo en su trascendencia va por otro lado.
Mucho nos queda aun por aprender de
la mecánica cuántica aunque a nosotros nos baste, de momento al menos, con lo
expuesto recogido de acreditadas fuentes. Nos ha costado aceptar muchas cosas.
La que más la aparente paradoja de la transición, la que va “desde la nada al
todo, desde lo ínfimo de la materia a la vida plena”. Aunque podemos asegurar
que leyendo y estudiando el mundo de lo cuántico hemos sentido la casi
inaprensible sacudida de quien se topa con lo culminante de la física en su ensamblaje
entre lo clásico con lo más nuevo.
Mundo éste, el cuántico, que sabemos proviene,
segregado, del de la física clásica aunque también, naturalmente, de la suya propia,
es decir, del de la nueva física de lo ultramicroscópico. Física enigmática, sorprendente
y hasta “humilde” cuando reconoce de sí misma que “parece un desafío al sentido
común”.
Todo eso lo discutían ¡recuerdan! un
exiguo grupo de médicos jubilados que estaban, por razones de edad, más cerca
de la metafísica y de la teología que de la cotidiana realidad. Lo que no debe
extrañarnos ya que esos “rabadanes” sabían que la física en sus diversas formas
les iba a superar en exactitud y en rigor matemático en todo momento; en aras
de lo cual reclamaban para sí el mundo de los sentimientos, el de las emociones,
el de la trascendencia, valores, todos ellos, inmanentes a la condición humana.
Addenda:
Una ulterior consideración que puede
parecer marginal ¡pero que no lo es! porque invita a la reflexión a los estudiantes
y a los profesores de las Escuelas de Medicina.
Se dice en ella: Los mecanismos tan
distintos que controlan la estructura y el funcionamiento de la materia deberían
haber ofrecido a la biomedicina nuevas perspectivas de lo que son la salud y la
enfermedad. Sin embargo, aun después de los descubrimientos de la física
cuántica, a los estudiantes de medicina y de biología se les sigue enseñando a
ver el cuerpo como una máquina física que opera según los principios de la física
de Newton.
Grave fallo éste del que venimos
alertando a la clase médica desde hace tiempo -con poco éxito, por cierto- a la
que hemos aconsejado que modifique sus estructuras y sus hábitos porque anclada
en lo tradicional permanecen alejada, hoy por hoy, de las nuevas tendencias en
las que, convincente y esperanzadora, la física cuántica ocupa un preeminente
lugar.
