El modelo cuántico


El modelo cuántico de la naturaleza entraña principios que entran en  contradicción no solo con nuestra experiencia cotidiana, sino también  con nuestro concepto intuitivo de realidad. Una vez Feynman escribió: «creo que puedo afirmar con seguridad que nadie comprende la física cuántica». Pero la física cuántica concuerda con las observaciones.  Nunca ha dejado de superar una prueba, y eso que ha sido puesta a prueba  más veces que ninguna otra teoría en la historia de la ciencia, pero no  concuerda con la racionalidad cerebral humana!

Según la física newtoniana las partículas, por ejemplo un balón de futbol, sigue un camino bien definido. Mientras en la física cuántica, no tomaran un camino, sino todos los caminos posibles y de manera simultánea! Eso, según Feynman, es lo que hace a los dos físicas diferentes.

Existe otro principio cuántico clave: no podemos «tan solo» observar algo. Para observar un objeto debemos interaccionar con él. Iluminar con fotones una calabaza con fotones tendrá poco efecto sobre ella, pero iluminar una partícula cuántica, -es decir, lanzar fotones contra ella- tiene efectos apreciables y modifica los resultados del experimento.

Esta idea tiene implicaciones importantes para nuestro concepto de «pasado». En la teoría newtoniana, se supone que el pasado existe como una serie bien definida de acontecimientos. Si vemos que el jarrón que compramos yace hecho añicos en el suelo y nuestro hijo esta observándolos compungidamente, podemos imaginar los eventos que condujeron a la desgracia: nuestro hijo interaccionando con el jarrón, el jarrón cayendo y estallando en miles de fragmentos al chocar contra el suelo. Según Newton, conocidos los datos completos sobre el presente, podemos predecir el pasado. Ello es consistente con nuestra comprensión intuitiva de que, alegre o triste, el mundo tiene un pasado bien definido.

Pero en el mundo cuántico no, cualquier camino pudo haber tomado el "jarrón cuántico". La física cuántica nos dice que por completa que sea nuestra observación del presente, el pasado (no observado) y el futuro son indefinidos y solo existen como un espectro de posibilidades. Un evento, o el mismo universo, no tiene un solo pasado o una historia única.

La primera fuerza que fue descrita en lenguaje matemático fue la gravedad. Luego las fuerzas eléctricas, magnéticas, aunque mucho más intensas que la gravedad, no las notamos en los cuerpos macroscópicos, porque se hayan balanceadas. Estas fuerzas entre dos cuerpos macroscópicos prácticamente se anulan entre si, a diferencia de las gravitatorias que siempre se suman. Luego vino el electromagnetismo, los campos de fuerza y la luz. Se llego al conocimiento de que la luz era una onda electromagnética!

En la actualidad, las ecuaciones que describen los campos eléctricos y magnéticos son denominadas ecuaciones de Maxwell, y son probablemente las ecuaciones comerciales más importantes que conocemos. No solo rigen el funcionamiento de todo, desde las instalaciones domesticas hasta las computadoras, sino también describen ondas diferentes a las de la luz, como por ejemplo microondas, radioondas, luz infrarroja, ultravioleta, rayos X, todas las cuales difieren de la luz visible en sus longitudes de onda. Las radioondas tienen longitudes de onda de un metro o más, en tanto que las visibles tienen longitudes de diez millonésimas de metro, y los rayos X de cien millonésima de metro. El Sol emite todas las longitudes de onda, pero su radiación mayor esta en las longitudes que podemos ver, y esto no es casual. Nuestra visión evoluciono así porque era la radiación más disponible. Tal vez los infrarrojos sea la radiación más disponible en el sol de algunos alienígenas, por lo que no existirían diurnos o nocturnos.

Las ecuaciones de Maxwell establecen una velocidad de 300.000 km/s o 1.080 millones Km/h. Pero dar una velocidad no dice nada si no se especifica el sistema de referencia con respecto al cual se mide. Por ejemplo, sí andamos en un avión en vuelo a lo largo de un pasillo, podemos decirque nuestra velocidad es de unos 4Km/h, pero para los que están en tierra, nuestra velocidad será de unos 900km/h. o alguien que tuviera en el Sol, diría que nos estamos desplazando a unos 35km/seg.

Dos observadores que se están desplazando uno respecto al otro discreparan en la distancia de dos sucesos, pero aunque los observadores midan tiempos diferentes, ambos están observando el mismo proceso físico. Para ver como este análisis se aplica a los aparatos que llevan la medición del tiempo, consideremos dos observadores que están mirando el mismo reloj. El reloj ira más rápido para el observador que está en reposo, pero, para el observador que no está en reposo, el reloj ira más lentamente.

Por ejemplo, dos observadores miden con el mismo reloj el tiempo que tarda un pulso de luz de ir de la cola al morro de un avión en marcha. Sí el observador en el avión sincroniza el pulso de luz con el tic tac de su reloj, vemos que para el observador en tierra el reloj va más lento, porque en el sistema de referencia del suelo, el pulso de luz debe recorrer una distancia mayor. Pero el efecto no depende del reloj; se aplica a todos los relojes, incluso los biológicos.

Así, Einstein demostró que, tal como ocurre con el concepto de reposo, el tiempo no puede ser absoluto, a diferencia de lo que había creído Newton. En otras palabras, no es posible, para cada suceso, asignar un tiempo para el cual todos los observadores estén de acuerdo; los tiempos medidos por dos observadores que se están moviendo el uno con respecto al otro no coinciden. Las ideas de Einstein van contra nuestra intuición porque sus implicaciones no son observables a las velocidades en que nos movemos cotidianamente. El efecto temporal de volar alrededor de la tierra, en el mismo sentido o en sentido contrario es muy pequeño, es de una 180 milmillonésimas de segundo por vuelta!

Los físicos se dieron cuenta de que postulando que la velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas de referencia, la teoría electromagnética de Maxwell implica que el tiempo no puede ser tratado separadamente de las tres dimensiones del espacio, sino que tiempo y espacio están profundamente imbricados entre sí. Es como si añadiéramos una cuarta dimensión futuro/pasado a las tres usuales: derecha/izquierda, adelante/atrás y arriba/abajo. Los físicos llaman «espacio-tiempo» a ese matrimonio, y al tiempo la cuarta dimensión. Así como las tres dimensiones depende de la posición del observador, la dimensión tiempo depende de la velocidad del observador.

Pero surgió otro problema, el concepto de la gravedad en la relatividad general no es en absoluto como el de Newton, sino que el espacio-tiempo no era plano, sino curvo y distorsionado por la masa y energía que contiene. Una buena manera de representar la curvatura es imaginar la superficie terrestre. La geometría de los espacios curvos no es la euclidiana a que estamos acostumbrados. Por ejemplo, sobre la superficie terrestre curva, la distancia más corta entre dos puntos no es la rectilínea euclidiana, sino la del círculo máximo. El ecuador es un ejemplo de círculo máximo, y no es una línea rectilínea sobre una superficie plana. Las líneas aéreas lo saben perfectamente, y siguen rutas de círculos máximos, cuando resulten practicables. Por ejemplo, para ir de Nueva York a Madrid que se halla en la misma latitud, no lo hacen rectilíneamente, puesla distancia seria 102 millas más. Así que van primero hacia el noreste, y después gira gradualmente hacia el este y después hacia el sureste.

La gravedad, en la teoría de Einstein no es una fuerza, sino una consecuencia de que la masa deforma el espacio-tiempo y le confiere una cierta curvatura. Cuando el espacio-tiempo no es plano, las trayectorias de los objetos parecen estar curvadas, y producen la impresión de que sobre ellos está actuando una fuerza.

Sí no se tuviera en cuenta la relatividad general en el sistema GPS de navegación por satélite, los errores en la posición global se acumularían a un ritmo de unos ¡10 kilómetros por día! La relatividad general constituye un nuevo modelo del universo muy diferente, que predice nuevos efectos como ondas gravitatorias y agujeros negros.

Tanto la teoría de Maxwell como la de Einstein o la de Newton, son teorías clásicas, es decir modelos en que el universo tiene una sola historia. Pero a nivel atómico y subatómico esos modelos no concuerdan con las observaciones, sino que debemos utilizar teorías cuánticas, en que el universo puede tener cualquier historia posible, cada una de ellas con su propia amplitud de probabilidad.

Extractos del libro The Grand Design, escrito por Stephen Hawking  y Leonard Mlodinow. 2010.

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