Temas de Física Hoy: junio 2017

Mi carro se rompió el otro día, así pues lo llevé al taller.
El tipo de allí me dijo que él es un mecánico cuántico.
Le pregunté si podía arreglar mi carro o no.
El encogió de hombros y dijo:
"No sé. Primero tengo que mirarlo".

Este esotérico chiste del físico Stephen Hawking se refiere a la notoria paradoja física conocida como Problema de la Medida donde tal parece que las partículas cuánticas de alguna forma 'saben' cuando las estamos 'mirando', y que los objetos subatómicos (como los electrones y los fotones) se comportarán como partículas o como ondas según como los observemos; de forma tal que es imposible determinar su estado individual hasta que se realize una operación de medición sobre ellos.

Por eso Niels Bohr, uno de los gigantes de la física, dijo: "Si la mecánica cuántica no te ha conmocionado profundamente, aún no la has entendido". O como Richard Feynman, otro de los grandes de la física contemporánea, en su característico tono jocoso expresó: "Creo que puedo decir con seguridad que nadie realmente entiende la mecánica cuántica". ¿Qué significa esto? ¿Y por qué la mecánica cuántica resulta ser tan dificil de entender? Veamos:

Nota: Aleatoriedad Ontológica versus Epistemológica

El Problema de la Medición como Efecto Observador

Algunos textos de física explican el Problema de la Medición en la Mecánica Cuántica (Quantum Mechanics o QM para abreviar) de una manera simplificada basándose en el fenómeno de la dualidad onda-partícula, como una especie de efecto observador donde los estados cuánticos no pueden ser observados sin ser alterados. A diferencia de la física clásica donde la medición solo nos informa del estado del objeto pero no altera su estado. Y por eso la mecánica cuántica nos resulta ser tan 'extraña' o contra intuitiva. Sin embargo, como veremos a continuación, el Problema de la Medición es mucho más profundo que eso.

El Problema de la Medición simplificado como Efecto Observador

Comportamiento Dual onda-partícula

Primero, una breve historia. Albert Einstein demostró por primera vez en el Efecto Fotoeléctrico (1905) que la luz, que se había considerado una forma de ondas electromagnéticas (gracias a las teorías sobre la luz de Huyghens y Maxwell), también debería considerarse como una partícula llamada fotón, localizada en paquetes de energía discreta, cuya Energía (E) es proporcional a su frecuencia (f), según la relación establecida anteriormente por Max Planck (E=hf) en su teoría de la 'radiación del cuerpo negro'; donde (h) es la Constante de Planck (*).

Esta idea de los fotones fue aplicada por Niels Bohr para establecer su Modelo Atómico (1913), el cual describe al átomo como si fuera un "sistema solar en miniatura", y de esa forma explicó las lineas espectrales del átomo de hidrógeno como fotones que se emiten o se absorben cuando el electrón "salta" entre los niveles de energía asociados con sus orbitas. Luego este comportamiento fue confirmado una vez más en el Efecto Compton (1922) observable en el experimento de dispersión inelástica de los rayos X (fotones) cuando interaccionan con electrones libres, y luego el Efecto Raman (1928) sobre la dispersión inelástica de fotones con electrones enlazados en moléculas, los cuales sólo pueden ser explicados considerando que la luz (rayos X) tenía una dualidad onda-partícula, con lo cual el comportamiento dual onda-partícula de los fotones fue aceptado como un hecho físico real.

Ondas Piloto

Dos años más tarde el primer intento de generalizar el comportamiento dual onda-partícula para los electrones y demás partículas subatómicas se debió al físico francés Louis de-Broglie y su teoría de las "ondas de materia" (1924), también llamada "ondas piloto", la cual suponía que las partículas cuánticas consistían en ciertas 'ondas piloto' que se creía fueran reales, la cuales existirían alrededor de la posición clásica de la partícula y de esa forma dirigirían su movimiento, y cuya logitud de onda (λ) se relaciona con su momentum (p) según la relación λ=h/p; donde de nuevo (h) es la Constante de Planck. La hipótesis de de-Broglie sobre la dualidad onda-partícula de la materia se confirmó en el experimento de difracción de electrones realizado por Davisson-Germer en 1927.

Además de-Broglie explicó y reinterpretó la hipótesis a priori del Modelo de Bohr, de que el momento angular (mvr) es un múltiplo entero de ħ (h/2π), como una condición de onda estacionaria: El electrón es descrito por una onda y un número entero de longitudes de onda deben encajar a lo largo de la circunferencia de la órbita del electrón, según la relación mvr = nħ; donde (n) es un número entero que representa el número cuántico principal que describe el estado del electrón en el átomo.

Esta teoría semi-clásica de las 'ondas piloto' era determinista y permitía hacer una analogía visual con las ondas clásicas y la composición espectral de los paquetes de 'ondas piloto', donde resulta imposible determinar con infinita precisión la posición del paquete y su frecuencia o su longitud de onda (que en mecánica cuántica se relaciona con el momentum de la partícula según la relación de de-Broglie) lo cual originaría un nivel de incertidumbre en el resultado de la medición de su posición o su momentum (también llamado "cantidad de movimiento" o "impulso").

Sin embargo, luego que Werner Heisenberg introdujo su 'Principio de Incertidumbre' y su 'Mecánica Matricial', y Erwin Schrödinger por su parte presentó su 'Ecuación de Onda' en 1926 y resolvió el problema del átomo de hidrógeno a partir de un conjunto de 'primeros principios', la teoría de las ondas pilotos fue abandonada. Con lo cual se hizo evidente que el problema de la dualidad onda-partícula es más profundo de lo que incialmente se suponía.

Los creadores de la QM y sus ecuaciones (haga click para ampliar)

Novedades y Extrañezas de la Física Cuántica

El Problema de la Medición en realidad tiene que ver con la naturaleza aleatoria (no determinista) de los estados cuánticos y la formulación estadística de la mecánica cuántica basada en el concepto de la Función de Onda, que normalmente se representa como Ψ (letra griega Psi) y que se interpreta como la amplitud de una onda de probabilidades, la cual encapsula toda la información que podemos conocer o medir sobre el estado de la partícula o sistema, tal y como se explica a continuación.

La Teoría Cuántica plantea que antes que un observador "mire" o mida algo, el mundo físico solo existe como una superposición de todos sus posibles estados simultáneamente. Lo cual conduce a algunas famosas paradojas como la del Gato de Schrödinger donde el gato en la caja puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, hasta que la caja se abre y se revela su estado actual. O la del Amigo de Wigner donde los observadores no se pueden poner de acuerdo sobre el resultado del experimento.

Así como otras extrañezas de la mecánica cuántica que parecen violar los principios de la mecánica clásica, como por ejemplo: la probabilidad de pasar por una barrera de potencial mayor que la energía cinética máxima de la partícula (efecto túnel), o estar en dos lugares al mismo tiempo o en ninguno en particular (fenómeno llamado no-localidad), o comunicarse instantáneamente sobre grandes distancias (fenómeno llamado entrelazamiento o entanglement), etc.

El término Entanglement (Entrelazamiento, en español) fue definido por Schrödinger como una especie de estado de 'coherencia' donde las partículas cuánticas entrelazadas (creadas por interacción directa entre partículas subatómicas) se comportan colectivamente como un sistema que se describe con una Función de Onda, en lugar de comportarse como partículas individuales independientes. En esas condiciones es posible manifiestar ciertos comportamientos extraños, como el comportamiento 'no local', lo cual significa que el cambio en el estado de una partícula afecta instantáneamente el estado de la otra, como si ocurriera una especie de intercambio instantáneo de 'señales' entre las partículas individuales situadas a grandes distancias. O sea, el fenómeno de la "spooky action at a distance" (¿espeluznante acción a distancia?) como le decía Einstein, o la teleportación de los estados cuánticos (teleportation, en inglés) como se le dice en la literatura de ciencia ficción (en Star Trek, por ejemplo).

El estado de Entanglement según Schrödinger no sería permanente y se rompería cuando el sistema cuántico es interrogado durante el proceso de medición (de ahí el Problema de la Medición) o cuando el sistema interactúa con el ambiente clásico que lo hace perder su coherencia (decoherence, en inglés).

Entra la Función de Onda
(Ecuación de Schrödinger)

En Mecánica Cuántica el estado de una partícula o un sistema se describe matemáticamente con la Función de Onda, representada con la letra griega Ψ (Psi), que se obtiene como solución de alguna de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, como por ejemplo la Ecuación de Schrödinger (no relativista) o la Ecuación de Dirac (relativista) -- ver nota al final para más información sobre los principios matemáticos de la mecánica cuántica.

Históricamente, uno de los primeros éxitos de la teoría cuántica fue cuando Schrödinger resolvió su ecuación para el caso del átomo de Hidrógeno y de esa forma estableció el modelo atómico de los orbitales (que matemáticamente se representan como armónicos esféricos), permitiendo el cálculo de los niveles discretos de energía del átomo (E) con el radio atómico de Bohr (a₀) como parámetro.

Solo como ilustración de las ecuaciones de la mecánica cuántica (sin perdernos mucho en la matemática) consideremos la siguiente ecuación de Schrödinger en su forma dependiente del tiempo:

i\hbar {\frac {d}{dt}}\vert \Psi (t)\rangle ={\hat {H}}\vert \Psi (t)\rangle

Donde Ψ (letra griega Psi) representa la Función de Onda que describe el estado de la partícula (cuya energía está siendo medida), Ĥ (letra H con acento circunflejo) representa el operador matemático Hamiltoniano definido en mecánica analítica clásica como la suma de la Energía Cinética Total T y la Energía Potencial V (H = T + V), i es la unidad de los números imaginarios, h (cruzada) es la Constante de Planck (dividida por 2π) y t es el tiempo.

Entonces, según la interpretación estadística de Max Born de la mecánica cuántica, una vez que encontramos la función de onda compleja Ψ(x,t) como solución de la ecuación, su módulo al cuadrado |Ψ|² es un número real positivo que se interpreta como la densidad de probabilidad de medir una partícula en un punto dado.

Además es importante notar que en general la Función de Onda va a ser función del tiempo, lo cual significa que se puede utilizar para describir y predecir la evolución temporal del estado físico de un sistema cuántico. Sin embargo, cuando se realiza una medición, la evolución del sistema dada por la Función de Onda no es determinista, lo cual significa que solo puede darnos la probabilidad de medir ciertos valores permitidos por la teoría.

La Ecuación de Schrödinger básicamente nos dice que el estado de la partícula se puede calcular a través de la dimensión del tiempo o las dimensiones del espacio, y que el conocimiento de la Función de Onda en el espacio a su vez nos permite conocer la historia de la partícula en el tiempo. O para decirlo de otra forma, el pasado de la partícula no está totalmente perdido y su futuro no está totalmente indefinido.

La implicación de todo esto es que, a nivel subatómico, solo después que se mide o se "mira" al mundo es que aparecen las partículas reales (llamadas quanta o cuánticas). Los físicos tampoco están seguros qué significa "mirar".

Medición Cuántica: Principio de Incertidumbre

¿Qué es lo que realmente significa hacer una medición cuántica? Ciertamente sabemos como hacer mediciones pero lo que no sabemos es qué aspectos de la medición son necesarios para producir la existencia del mundo físico a partir de sus probabilidades cuánticas solamente. Es decir, saber qué es lo que hace falta para convertir las probabilidades cuánticas en hechos reales, es una pregunta abierta en la física.

La física cuántica no nos dice qué existe sino solamente qué se medirá. Aun más, la teoría dice que no es posible medirlo todo, así que tenemos que escoger qué propiedad del sistema vamos a medir, según el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

El Principio de Incertidumbre en esencia nos dice que hay un límite fundamental sobre cuan bien podemos medir ciertas magnitudes físicas que son complementarias, o parejas de variables conjugadas, como también se les llama. Tal es el caso por ejemplo de la posición y el momentum (impulso) de una partícula, o la energía y el tiempo. En otras palabras, si tratamos de medir una de las variables del par conjugado con total precisión, su pareja se va a indefinir, y viceversa. Y esto es un problema porque toda la mecánica clásica asume y require que ambas variables del par conjugado puedan medirse simultáneamente con una precisión arbitraria; es decir, sin incertidumbre.

Una consecuencia del Principio de Incertidumbre en mecánica cuántica es que solo después de escoger qué medir, la teoría nos puede dar predicciones definidas de la probabilidad de observar valores específicos de la variable escogida, como se explica a continuación.

El Experimento de la Doble Rendija

El famoso físico Richard Feynman sabiamente dijo que el experimento de la doble rendija es el único experimento que uno tiene que entender para ver cómo funciona el mundo cuántico, ya que contiene todas las novedades y extrañezas de la mecánica cuántica, comparada con la física clásica, y demuestra que un cambio de paradigma en la descripción de la Naturaleza es necesario e inevitable. Por eso hemos querido explicar el Problema de la Medición desde el punto de vista del experimento clásico de la doble rendija, imaginando un diálogo sobre un ‘experimento mental’ de difracción de electrones a través de la doble rendija, donde un físico teórico (FT) y un físico experimental (FE) discuten el posible resultado del experimento según la teoría cuántica:

Experimento de la Doble Rendija

FE: ¿Podrías por favor decirme el resultado del experimento predicho por la teoría, de forma tal que yo pueda verificar o falsificar la teoría?

FT: Bueno, en realidad solo puedo decirte la distribución de probabilidades predicha por la teoría de encontrar la partícula en un punto de la pantalla, lo cual puedes verificar si haces un experimento con muchos electrones o si repites el experimento muchas veces, pero para eso tengo que calcular la Función de Onda.

FE: Y qué pasa entonces con los electrones cuando no los estamos mirando, es decir, cuando no los estamos midiendo?

FT: Según la Interpretación de Copenhague (así llamada en referencia a la ciudad natal de Niels Bohr y enunciada por él como 'Principio de Complementariedad') los físicos no deberíamos hacernos esa clase de pregunta porque lo que sucede con el electrón mientras no lo estamos mirando es "inobservable". Sin embargo, muchos físicos consideran que esa posición filosófica puramente 'positivista' es insatisfactoria, y de ahí las tantas interpretaciones que en la actualidad existen de la mecánica cuántica, como la Interpretación de Muchos Mundos, etc.

FE: De acuerdo. Entonces déjame hacer la pregunta de otra forma. ¿Podrías decirme la distribución de probabilidades que la teoría predice y que yo puedo medir en mi experimento?

FT: Para eso primero tienes que decirme qué vas a medir y cómo vas a medirlo, es decir, qué configuración experimental vas a tener y qué instrumento vas a utilizar.

FE: No entiendo. ¿Por qué tengo yo que decirte eso primero? ¿Y por qué el resultado del experimento va a depender del instrumento que se utilice? Así no es como son las cosas en los otros experimentos que yo hago en óptica y física clásica.

FT: La respuesta corta es porque el cálculo de la Función de Onda va a depender de eso. Por ejemplo, si las dos rendijas son muy estrechas (del orden de la Longitud de Onda de De Broglie λ=h/p) y están muy cerca una de otra comparadas con la distancia a la pantalla (lo cual permite que los electrones mantengan su estado de coherencia o 'entanglement') y si tus detectores están situados detrás de esa pantalla, entonces los electrones se comportan como ondas y la distribución de probabilidades va a lucir como un patrón de interferencia, característico de las ondas, similar al que seguro muchas veces haz visto en los experimentos de óptica.

FE: Sí, conozco muy bien esos patrones de interferencia. ¿Pero qué pasa si entonces yo decido cambiar algo en la configuración de mi experimento, por ejemplo la posición de los detectores?

FT: Pues eso cambiaría la Función de Onda y por tanto la distribución de probabilidades que se podría medir. Para ponerte otro ejemplo opuesto. Si por el contrario tú decides separar las rendijas suficientemente, o hacer las rendijas muy anchas, o acercar tu contador de partículas a una de las rendijas para tratar de detectar un solo electrón, entonces los electrones se comportarán como partículas y la distribución de probabilidades luciría como una secuencia de pulsos separados muy estrechos; como si fueran 'ondas piloto' casi puntuales que matemáticamente se aproximarían a una secuencia de 'deltas de Dirac'. Eso es así porque en ese caso tu experimento estaría en lo que llamamos el límite clásico donde la probabilidad calculada a partir de la Función de Onda se reduce prácticamente a la trayectoria clásica de la partícula.

FE: Ya entiendo. Por eso yo tengo que decidir qué voy a medir y cómo medirlo, antes que tú puedas calcular el resultado que la teoría predice que debo obtener. Y si yo no decido primero qué medir y cómo medirlo, entonces tú no puedes predecir cuál será el resultado del experimento.

FT: Así es.

Colapso de la Función de Onda: El rol del Instrumento en la Medición

El Problema de la Medición realmente significa que cuando utilizamos un Instrumento para medir una magnitud observable, la Naturaleza entonces produce un resultado real a partir de todos los posibles resultados permitidos por la teoría, a lo cual se le llama colapso de la función de onda, donde la distribución de probabilidades se reduce a un único estado llamado eigenstate o estado cuántico puro; que matemáticamente se describe como un vector en el espacio de los números complejos de Hilbert.

El Instrumento en principio puede ser cualquier conjunto de objetos 'clásicos' con el cual el sistema cuántico interactúa; ya sean objetos naturales o artificiales, o ambos. Por ejemplo, el instrumento puede ser algo natural como una célula de la retina del ojo, o artificial y tan complejo como el detector de partículas ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN mostrado en la foto.

Detector ATLAS del LHC en el CERN

Al proceso mediante el cual, durante una medición, el sistema cuántico interactúa con el ambiente clásico (instrumento), que lo hace perder su estado de coherencia o "entanglement", se llama decoherencia o "decoherence" en inglés.

Para apreciar lo inusual que es la medición cuántica y el concepto del colapso de la Función de Onda, imaginemos a alguien hablando ante una multitud de personas. En el mundo clásico las ondas sonoras se esparcen por la multitud y todos escuchan el discurso. En el mundo cuántico, sin embargo, la onda sonora se propagaría tal como se esperaba, pero tan pronto como una sola persona en la multitud la percibe (o la mide con un instrumento), toda la onda sonora se concentraría en el oído de esa singular persona, y ninguna otra persona la oiría.

Pero entonces, si el mundo cuántico es solo un mundo de posibilidades, uno se pregunta de dónde salen tales instrumentos de medición reales. ¿Cómo y cuándo en un mundo puramente cuántico apareció el primer "instrumento" que fue capaz de colapsar la función de onda primordial y de esa forma producir la realidad que conocemos a partir de tantas posibilidades? ¿Quizás sea que todo este proceso de alguna forma comenzó con la Inflación Cósmica y el Big Bang, o acaso exstió otro evento de 'singularidad creativa'? Esta es una paradoja que recuerda el problema del huevo y la gallina para la cual los físicos no tienen una buena respuesta.

Interpretaciones de la Mecánica Cuántica

Existen al menos 11 Interpretaciones de la Mecánica Cuántica comunmente conocidas. La interpretación usual, y una de la primeras que se utlizó para explicar el Problema de la Medición, es la Interpretación de Copenhague, así llamada en referencia a la ciudad natal de Niels Bohr considerado uno de los padres de la mecánica cuántica. Esta interpretación fue inicialmente enuncida por Bohr como Principio de Complementariedad para explicar la dualidad onda-partícula; el cual sostiene que dos propiedades complementarias no se pueden medir simultáneamente con total precisión, de manera que cuanta más precisión se obtiene de una de ellas, menos se obtiene de la complementaria.

La Interpretación de Copenhague además es "positivista" en el sentido filosófico, ya que básicamente plantea que solo se puede afirmar lo que se puede medir, es decir, que no tiene sentido preguntarse qué pasa con las partículas cuánticas cuando no las estamos "mirando", o sea, cuando no las estamos midiendo; porque lo que sucede con la partícula mientras no lo estamos mirando es "inobservable".

Sin embargo, muchos físicos consideran que esa posición filosófica es insatisfactoria y de ahí las otras interpretaciones que en la actualidad existen de la mecánica cuántica, como la Interpretación de Muchos Mundos, etc. Por ejemplo, algunos físicos creen que para poder resolver lógicamente estas paradojas hay que considerar la Interpretación de Muchos Mundos (interpretación de "Many Worlds", propuesta por Hugh Everett) que plantea que cuando la función de onda colapsa debido a una medición u observación, y solo una de sus posibilidades se materializa en nuestro universo observable, lo que ocurre es que cada otra posibilidad no materializada se realiza en algún otro universo paralelo que 'se separa' del universo original; como si fuera un 'tenedor' de posibilidades.

La 'interpretación' de Muchos Mundos a su vez se relaciona con la 'teoría' del Multiverso o los Universos Paralelos que propone la existencia de muchos universos que evolucionan en otras dimensiones (por ejemplo en las 11 dimensiones del espacio predichas por la Teoría de las Cuerdas) en 'paralelo' a nuestro universo conocido.

Por otro lado muchos físicos hoy en día consideran que en realidad este problema está intrínsecamente relacionado con ese otro problema fundamental de la filosofía conocido como Problema de la Consciencia y que no será posible tener una respuesta adecuada a estas preguntas hasta que se considere la naturaleza cuántica de la consciencia; ya que medición es sinónimo de observación, y precisamente eso que llamamos "consciencia" es el observador o instrumento final que colapsa la función de onda al observar la realidad física.

Max Planck, uno de los fundadores de la Física Cuántica, fue el primero que planteó el carácter fundamental de la consciencia en la física cuando dijo: "Considero que la consciencia es fundamental y que la materia es derivada de la consciencia". Similarmente Werner Heisenberg indicó el rol clave que tiene la mente en la física cuando dijo que "el cambio discontínuo de la función de onda ocurre con el acto de registración del resultado en la mente del observador". Por su parte Erwin Schrödinger, otro de los padres de la física cuántica, dijo que "la consciencia no puede ser explicada en términos físicos porque la consciencia es absolutamente fundamental". O como solía decir el célebre físico americano John Archibald Wheeler: "it from bit".

Incluso algunos físicos como Eugene Wigner, premio Nobel de Física en 1963, han llegado a plantear que la consciencia es condición necesaria para la existencia de la realidad física. Idea que ha sido extrapolada por otros físicos quienes consideran que, como lo ha expresado el profesor Michio Kaku, eventualmente se necesitaría una cadena infinita de observadores, cada uno observando al otro, y como Wigner implica, esta cadena de observadores colapsando la función de onda en un proceso continuo por consenso sería como una Consciencia Cósmica o Dios.

Nuevas Aplicaciones Prácticas
Computadoras Cuánticas y Biofísica

Hay quienes comparan la física cuántica a un enorme edificio donde los físicos, como laboriosos obreros, han ido completando piso por piso mientras que la base se mantiene soportada por un precario andamio que nadie quiere examinar de cerca por temor a que toda la estructura colapse. A pesar de lo cual los logros de la mecánica cuántica son impresionantes, tanto desde el punto de vista teórico como práctico.

Desde la microelectrónica, los transistores, los chips de silicio en las computadoras, los teléfonos con los LED de la pantalla, los CCD de las cámaras fotográficas, los paneles solares, hasta los detectores de humo en las casas y los láseres en los escáner del supermercado, todas son aplicaciones de la mecánica cuántica en nuestra vida cotidiana.

Además de su increíble poder explicativo sobre la Naturaleza, desde la física de la visión hasta por qué el sol y las estrellas brillan, la teoría cuántica funciona, explica, y nunca ha hecho una predicción errónea.

Los físicos esperan que muy pronto estas ideas nos van a permitir desarrollar nuevas aplicaciones prácticas de la mecánica cuántica, como las computadoras cuánticas que tendrán un poder de cálculo increíble, mucho mayor que las computadoras clásicas actules, y podrán resolver problemas matemáticos que hasta ahora han sido prácticamente insolubles; como por ejemplo la factorización de grandes números enteros utilizando el Algoritmo de Shor (romper los algoritmos de cifrado en tiempo polinómico), lo cual es muy importante en la criptografía pública que utiliza parejas de grandes números primos para la seguridad de las transacciones en la Internet.

Aunque debe notarse que los algoritmos de computación cuántica, como el algoritmo de Shor, son probabilísticos por naturaleza, es decir, que dan la respuesta correcta con alta probabilidad, y la probabilidad de fallo puede ser disminuida repitiendo el algoritmo, o aplicando a posteriori el método clásico de 'prueba y error' pero solo entre el subconjunto de las soluciones más probables; lo cual permite que el proceso completo cuántico-clásico sea muy eficiente.

También se espera que la mecánica cuántica pueda explicar algunos misterios de la biología, como la fotosíntesis y el origen de la vida; o por qué la doble hélice del ADN de todos los organismos es dextrógira (rotada a la derecha) pero nunca levógira (rotada a la izquierda), o tal vez explicar por qué el código genético se basa en los números 3, 4 y 20; los 'números mágicos' de la biología. Esto es posible gracias a nuevos decubrimientos que indican que el 'ambiente húmedo y tibio de las céluas' (como lo llamó Schrödinger) no es un impedimento para ciertos efectos cuánticos. De hecho la 'Biología Cuántica' ya está siendo reconocida como una nueva rama de investigación científica.

Y quizás incluso la mecánica cuántica un día llegue a resolver ese difícil problema que ha ocupado a filósofos y científicos por largo tiempo, conocido como Problema de la Conciencia, a través de las novedosas teorías cuánticas de la conciencia que ya se están desarrollando.

Podría decirse entonces que los físicos de hoy han logrado domesticar la mecánica cuántica y hasta han enseñado al gato de Schrodinger a maullar desde dentro de la caja, sin embargo, para nosotros los neófitos, el Universo sigue siendo tan misterioso como los átomos siempre han sido; y por eso nos gusta la física y la ciencia.

En fin, que el problema de la medición cuántica no es un chiste.

(*) Nota sobre la Constante de Planck:

La constante de Planck es una constante física fundamental que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, el físico y matemático alemán Max Planck, uno de los padres de la teoría cuántica. Denotada como (h), Planck la denominó "cuanto elemental de acción" en 1900 cuando resolvió el problema de la Radiación del Cuerpo Negro (Black Body Radiation, en inglés) y la llamada 'catástrofe ultravioleta de Rayleigh-Jeans' que no tenía explicación en la física clásica, y de esa forma derivó la fórmula para el espectro observado; suponiendo un oscilador hipotético cargado eléctricamente que solo podía cambiar su energía en un incremento mínimo (E), que era proporcional a la frecuencia de su onda electromagnética asociada (f) según la relación E = h * f.

Actualmente la constante de Planck (h) se define para tener el valor exacto:

h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J⋅s

El valor relativamente pequeño de la constante (del orden de 10⁻³⁴ en unidades SI) es lo que causa que los efectos cuánticos se manifiesten al nivel de las distancias atómicas o subatómicas, pero no a nuestro nivel de observación macroscópica donde aplica la física clásica. Excepto por algunos fenómenos físicos 'exóticos' como: la superfluidez, la superconductivdad, la luz de los láseres, el efecto Hall cuántico, la super magnetoresistencia en ferromagnéticos, etc. También en algunos procesos biológicos, como la fotosíntesis, se pueden observar efectos cuánticos macroscópicos.

Además es bueno notar que la mecánica cuántica contiene a la mecánica clásica como un caso particular cuando se toma el límite clásico, es decir, si se hace la aproximación de considerar el límite cuando h -> 0. Otra forma de verlo es que si la constante de Planck fuera cero, los efectos cuánticos nunca ocurrirían y las ecuaciones de la mecánica cuántica se reducirían a las de la mecánica clásica.

Por otro lado, si la constante de Planck fuera un valor mucho mayor, de forma tal que los efectos cuánticos se manifestaran en nuestra experiencia macroscópica, entonces viviríamos en un mundo muy extraño, donde por ejemplo podríamos pasar a través de paredes sólidas (efecto túnel) o estar en dos lugares al mismo tiempo (efecto de no localidad) o estando en grupos nos comportaríamos como una entidad singular donde nos podríamos comunicar instantáneamente entre todos (entanglement); pero eso no ocurre en nuestro mundo cotidiano porque la constante de Planck es muy pequeña … por suerte :-)

Notas: Principios Matemáticos de la Física Cuántica

Temas de Física Hoy

martes, 27 de junio de 2017

Mecánica Cuántica: El Problema de la Medición