Crece la fascinación por la física cuántica a los 100 años del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg

Si los seres humanos habíamos logrado, con la física clásica y la ley de la gravitación universal de Isaac Newton, tener una noción precisa y matemática de las leyes de la materia y la energía en las dimensiones del macrocosmos, con la física cuántica todo se trastocó porque aquel determinismo y esas precisiones matemáticas no funcionan en el microcosmos como se ha confirmado en el comportamiento de las partículas de los átomos.

Esta nueva lectura cuántica es tan compleja que el lenguaje convencional no lo puede explicar por sus obvias limitaciones, por lo que la comunidad científica ha echado mano a otro lenguaje, a las complejas ecuaciones probabilísticas que son una combinación de números reales (positivos y negativos) y números imaginarios.

Un metalenguaje en el sentido semiótico de término que permite explicar, por ejemplo, como es que las partículas atómicas pueden “saltar” o “atravesar” barreras que, según las leyes clásicas, serían imposibles. Atravesar el planeta, por ejemplo.

El libro Física cuántica al alcance de todos*, del Dr. Jorge F. Baca Campodónico, resume en forma brillante la historia de la teoría cuántica. “No todos los días surge una teoría científica que transforma nuestra comprensión de la realidad”, señala el autor al inicio de su obra.

“Las ideas de [Werner] Heisenberg y [Erwin] Schrödinger revolucionaron la física hace 100 años. Por esta razón, Naciones Unidas ha declarado el 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas, marcando el centenario del nacimiento de la mecánica cuántica”, indica Baca Campodónico, quien resalta, obviamente, el famoso Principio de Incertidumbre.

La indeterminación

A toda esta nueva lectura, ¿qué es el Principio de Incertidumbre?

Se trata de una teoría formulada por el físico alemán Werner Heisenberg en el año 1927 que revela una característica esencial del mundo subatómico: la indeterminación. Esto porque establece la limitación definitiva de la precisión con la que se puede conocer, simultáneamente, las propiedades físicas de las partículas subatómicas.

Dicho de otra forma, es imposible conocer simultáneamente, con precisión matemática, la posición y la cantidad de movimiento de una partícula atómica. Esto es así no debido a limitaciones experimentales o de medición, sino porque esta indeterminación es una propiedad fundamental de la naturaleza.

La interpretación probabilística de la mecánica cuántica, propuesta inicialmente por Max Born, llevó a Heisenberg a formular su Principio de Incertidumbre, que se convirtió en una pieza fundamental de la mecánica cuántica.

Al hacer un resumen de cómo es que se llega al este logro, Baca Campodónico se remonta al pasado y focaliza su mirada a finales del siglo XIX, cuando “la comunidad científica se sentía satisfecha con los resultados de la ley de gravitación de Newton y las ecuaciones de Maxwell que definían el comportamiento de las ondas electromagnéticas”. El universo entonces era entendido como una combinación de materia y radiación. La materia estaba compuesta de partículas que obedecen a la ley de gravitación de Newton y la radiación era concebida como ondas que obedecen a las ecuaciones de Maxwell.

“Las partículas se desplazan [según esta visión del pasado] en trayectorias con posición y velocidad completamente determinadas. La radiación se desplaza en forma de campos electromagnéticos que ocupan todo el espacio y tienen un comportamiento de ondas perfectamente definidas”.

Este determinismo matemático llevó al físico británico Lord Kelvin (William Thomson) a asegurar que “no hay nada nuevo a ser descubierto en física. Lo único que falta es más y más precisión en nuestras mediciones…”. Craso error.

Los iniciadores

En tales circunstancias nadie hubiese imaginado que un desconocido y joven científico alemán iniciaría en 1905 una verdadera revolución en la especialidad, obligando a “reformular los fundamentos de la mecánica de Isaac Newton y reinterpretar las ecuaciones de Maxwell en un marco relativista”.

En el “año de los milagros” (annus mirabilis), 1905, Albert Einstein resolvió el problema de la acción instantánea de la gravedad y la noción del espacio absoluto e independiente del tiempo al reemplazarlos por la noción del “espacio-tiempo” entendido como un ente real de cuatro dimensiones donde el espacio y el tiempo no son independientes, sino que están entrelazados.

“La noción de un espacio de tres dimensiones, estático, inalterable e independiente del tiempo enunciado por Newton, fue reemplazado por la noción de un espacio-tiempo continuo de cuatro dimensiones, que se puede alterar, expandir y comprimir (…)”.

¿Cuáles son las cuatro dimensiones de la teoría del “espacio-tiempo” de Einstein? Son tres espaciales (largo o longitud, ancho o profundidad y altura) y la cuarta dimensión es el tiempo.

En el mismo “año de los milagros” este genio no solo resolvió el problema de la ley de gravedad de Isaac Newton, sino que también planteó la noción de que la luz no era una onda continua sino que tiene características corpusculares.

Para llegar a esta conclusión utilizó la entonces reciente comprobación de la radiación de Max Planck, en el sentido de que la energía no se distribuía en forma continua, sino en forma discreta a través de los “cuantos” de energía.

“Einstein explicó el fenómeno fotoeléctrico por el cual la incidencia de un rayo de luz sobre un metal establece una corriente eléctrica que depende de la frecuencia del rayo de luz y no de su intensidad”, descubrimiento que motivó que se le otorgara el premio Nobel, marcando así, junto con el descubrimiento de Planck, el inicio de la mecánica cuántica.

Luego, a partir del impulso en 1900 “con el descubrimiento del cuanto de energía de Planck y su constatación a través del efecto fotoeléctrico de Einstein, hasta su formulación inicial por Niels Bohr en 1913, y su formalización matemática por Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger en 1925, la mecánica cuántica cambió radicalmente la concepción de la naturaleza de la luz”.

La nueva lectura que la mecánica cuántica plantea es que la luz es una onda y una partícula a la vez. La idea de que la luz es una onda y una partícula simultánea y entrelazada es difícil de comprender porque es más que complicado imaginar un objeto que se comporta en simultáneo como partícula y como onda y mucho menos apreciar este tipo de objeto a simple vista.

Más de Einstein

El cuarto capítulo del libro de Baca Campodónico define lo que es el espacio, el tiempo y la posibilidad de otras dimensiones fascinantes e increíbles desde la óptica de la mecánica cuántica.

Según la concepción de Einstein, el espacio-tiempo puede expandirse a gran escala en un contexto cosmológico, como ocurre en la expansión del universo a partir del bing bang, y también deformarse localmente debido a grandes concentraciones de masa o energía, como sucede con los agujeros negros.

El espacio-tiempo puede incluso curvarse de forma infinita como ocurre en el centro de estos monstruos que habitan principalmente en los núcleos galácticos donde las ecuaciones de Einstein dejan de ser aplicables.

En consecuencia, si bien la concepción einsteniana sigue siendo una teoría válida y extremadamente precisa para describir la gravedad a escalas macroscópicas, presenta serias limitaciones en el contexto de la gravedad cuántica, al punto de que se investiga si el espacio-tiempo podría tener una estructura discreta a escalas microscópicas, señala el autor.

Además, algunas teorías, como la teoría de cuerdas, postulan que el universo podría tener diez o más dimensiones. Por otro lado, ciertas interpretaciones de la mecánica cuántica y modelos cosmológicos sugieren la posible existencia de múltiples universos. Estos extraordinarios avances de la física moderna superan los límites de nuestra percepción de la realidad conocida hasta hoy, tanto que para muchos es ciencia ficción y para otros plantea incluso temas filosóficos y metafísicos a revisar.

(*) Editado e impreso por PREDICEperu SAC

Formación académica

Jorge F. Baca Campodónico, Chiclayo, Perú (1950), estudió Ingeniería Electrónica en la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) de Lima; tiene una maestría en Econometría en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos; también Maestría en Matemáticas con mención en Economía en la Universidad de Mánchester, Reino Unido y Doctorado en Economía en la misma Universidad.

Schrödinger quiso venir a vivir en el Perú y cambiar de nacionalidad

Ya es un lugar común afirmar que el Perú es un país de oportunidades perdidas. La revisión de su historia nos dice que es cierto incluso para la física cuántica. Entre 1930 y 1931, el filósofo español Xavier Zubiri estudió en Berlín y frecuentó, entre otros, a Albert Einstein, Werner Schrödinger y Max Planck.

Zubiri habría invitado a científicos, entre ellos a Schrödinger, a la Universidad Internacional de Verano en Santander, España, donde el alemán impartió en 1934 un curso sobre los recientes descubrimientos de la física siendo calificado de brillante.

Su buen manejo del idioma de Cervantes y su cariño a la hispanidad llevó a cultivar amistades como con el físico español Blas Cabrera y otros y plantearles la posibilidad de instalarse en Sudamérica porque obvio que presagiaba tiempos de conflagración, como en efecto empezó con la guerra civil española (1936).

Es más, Schrödinger, quien con Heisenberg dieron forma al Principio de Incertidumbre, se ofreció a trasplantar la física europea a un país apartado, como el Perú, “trayendo con nosotros algunos discípulos”, tal como narra en cierta parte de su obra Xavier Sibiri (“La nueva mecánica ondulatoria y otros escritos”).

Exiliado Blas Cabrera en México, hizo las gestiones ante el consulado peruano en favor del alemán, recibiendo respuesta negativa al ofrecimiento del germano. Al margen de las razones para tal denegación, probablemente políticas, “Lo cierto es que nunca existió una propuesta formal por parte del gobierno peruano para recibir a Schrödinger y sus discípulos”, señala Baca Campodónico.

Ucronías aparte, tal vez otra hubiese sido la historia del Perú si venían esos genios con lo último de la ciencia de Occidente.

Las dos fuerzas moleculares y el “modelo estándar”

El capítulo seis el libro de Jorge Baca Campodónico lo dedica a describir las cuatro fuerzas que existen en el universo: La física clásica había identificado la existencia de dos fuerzas; la gravitacional y la electromagnética. La mecánica cuántica halló otras dos fuerzas, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

La fuerza nuclear fuerte (relacionada a las bombas atómicas) explica cómo es que dos o más protones que tienen carga eléctrica positiva se mantienen unidos en el núcleo del átomo juntamente con los neutrones. Según la física clásica, los protones deberían repelerse y de paso desintegrar el núcleo del átomo. Sin embargo, la fuerza nuclear fuerte es mucho más intensa que la fuerza electromagnética, tanto que consigue evitar que el átomo se desintegre.
El descubrimiento de estas dos nuevas fuerzas presentes en el mundo subatómico también ha cambiado nuestra concepción del mundo. Ahora sabemos que todo el universo está constituido por las mismas subpartículas y átomos que conocemos aquí en la Tierra.

El gran reto ahora es buscar una teoría que unifique las fuerzas que motorizan el cosmos y el microcosmos. Un avance es el “modelo estándar”, desarrollado a partir de la mecánica cuántica, que ha logrado unificar tres de las cuatro fuerzas del universo con resultados sorprendentes.

Nos referimos a la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. ¿Y la gravedad? Es la única fuerza fundamental que se “resiste” a ser incluida en el modelo estándar, la misma que es descrita por una teoría diferente: la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, que no es cuántica sino una descripción matemática del espacio-tiempo.

Obvio que el avance de la ciencia no se detiene. Y es que grandes logros se vienen concretando en este campo con las teorías de las supercuerdas y la gravitación cuántica.

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