¿Por qué ambos tipos de teorías son tan diferentes?

Cuando analizamos el mundo desde nuestro punto de vista, las leyes de Newton se cumplen casi escrupulosamente: los objetos se caen, la Luna gira alrededor de la Tierra y ésta alrededor del Sol, cuando los objetos chocan rebotan o se rompen, etc… Sin embargo, si intentamos analizar el comportamiento de estos mismos objetos a escala cada vez mejor, empezamos a observar diferentes fenómenos:

- La gravedad comienza a ser demasiado débil y el resto de fuerzas demasiado grandes. Aunque sea la fuerza predominante a grandes escalas, la electromagnética lo es muchísimo más, con la salvedad de que existen dos cargas opuestas de esa misma fuerza. A medida que vamos añadiendo cargas (moléculas, átomos, partículas…) al sistema, por estadística promedio éstas se van anulando entre sí, provocando que apenas notemos fuerzas electromagnéticas visibles excepto en los peculiares imanes y otros fenómenos específicos. ¿Es esto totalmente cierto? No del todo, ya que hay una forma muy sencilla de comprobar la existencia del campo electromagnético y su gigantesco poder. Para ello, debes tener en cuenta la siguiente imagen:

¿Qué ves significativo ahí? Principalmente dos pequeños puntitos (que están muy exagerados, de hecho) y una difusa nube alrededor. Representan dos protones y dos electrones en una molécula de hidrógeno. ¿Puedes ver ahora lo vacío que está el espacio entre los átomos y moléculas que nos componen? Pues entonces ahora viene la pregunta: ¿por qué no nos atravesamos entre sí?

La respuesta es: la energía electromagnética de los átomos. Las cargas de los electrones que recubren todos los átomos se repelen entre sí, con lo cual a pesar de estar vacíos, ejercen una fuerza infinitamente mayor que la de la gravedad. ¿Cuánta gravedad haría falta para que atravesáramos el suelo y nos fundiéramos con él? Probablemente una tan grande que haría hervir el planeta… convirtiéndolo en estrella.

¿Comprendes ahora cuán intensa es la energía electromagnética y qué diferentes comportamientos puede provocar a pequeñas escalas como son las de los átomos? Explosiones, reacciones químicas, la vida… todo ello es resultado de la interacción de los átomos gracias a la energía electromagnética, lo que da cuenta de su poder y riqueza. Pero aún hay más…

Si nos seguimos acercando, encontramos dos fuerzas más en el interior de los átomos: la fuerza fuerte y la fuerza débil. Ambas son infinitamente más poderosas que la electromagnética y, al mismo tiempo, con un alcance mucho menor. Los protones teóricamente deberían repelerse entre sí, debido a que todos poseen carga positiva (y las cargas de mismo signo se repelen). Sin embargo, existe un tipo de partículas llamadas gluones que son capaces de “pegar” los protones entre sí con una fuerza mucho mayor que la repulsión. Si esta misma fuerza actuara a grandes distancias sin interferencias, sería similar a crear un agujero negro con la masa de tan sólo un pequeño planeta, de ahí las gigantescas diferencias que hay entre estudiar el universo a simple vista y bajo el potente microscopio de los aceleradores de partículas.

- La materia y la energía comienzan a ser difíciles de distinguir. La conocida ecuación de Einstein ( E=m.c² ) nos da una idea de la equivalencia entre materia y energía, pero no dice que materia y energía sean exactamente iguales. Más bien, son diferentes estados de una misma cosa. La teoría de cuerdas dice que vibraciones, las religiones dicen que un poder superior. En todo caso, es algo que comienza a difuminarse a medida que nos acercamos a lo más pequeño. Como ya hablé en el artículo anterior, no hay forma de separar la naturaleza de onda y partícula de cualquier partícula en general, excepto colapsando su función de onda. Este colapso se produce de forma general a grandes escalas, a las que podemos ver en nuestro día a día. Por tanto, raramente observamos la naturaleza de onda de las partículas. Además, el fotón es lo más cercano a lo que nosotros entendemos como energía: lo emite el fuego, la bombilla, los cables de fibra óptica, la tostadora y la vitrocerámica, la televisión, lo absorbe los paneles solares y las lentes de los telescopios… Sin embargo, nos encontramos con que a muy pequeñas escalas comienza a comportarse como partícula: choca contra los átomos y les transfiere inercia o rebota, se pueden atrapar en condensados de Bose-Einstein a velocidades que haríamos nosotros andando…

¿Cuál es su verdadera naturaleza, entonces? ¿Son entonces ambas (energía y materia) expresiones de una misma cosa? Estudiarla nos obliga a crear una nueva teoría sólo para lo muy pequeño, y ahí tenemos la gravedad cuántica, cosmología cuántica, cuerdas y supercuerdas, gran unificación, teoría M…

- Las partículas empiezan a tener comportamientos extraños. ¿Te acuerdas de lo que expliqué sobre qué hacían las partículas con experimentos como el de la doble rendija y otros más elaborados? Pues todavía hay cosas más extrañas sobre la mecánica cuántica que escapan a toda lógica: las partículas parecen estar en varios sitios a la vez, y al mismo tiempo en una nube de probabilidad más que en un sitio real, sus fenómenos ocurren en instantes que escapan a nuestro concepto del paso del tiempo, el concepto de existencia y no-existencia se difumina más que nunca, las partículas se “comunican” entre sí de forma instantánea por muy lejos que se encuentren y además sin que ningún interceptor pueda jamás ser capaz de saber lo que se dicen y, para más inri y al contrario que nosotros, sí pueden atravesarse entre sí con una cierta probabilidad. Puedes leer sobre éstos y otros fenómenos en una serie de artículos sobre cuántica en este blog, en los vídeos de la serie del Dr Quantum o en el documental “El Universo Elegante” y su libro homónimo de Brian Greene.

- El aspecto del universo a pequeña escala es completamente diferente. Aunque tiene sus similitudes, como por ejemplo las órbitas de los electrones alrededor de los núcleos de los átomos con las de los planetas alrededor del sol, en realidad corresponden a fuerzas diferentes y, por tanto, el comportamiento aunque similar en algunos aspectos, es completamente diferente en el resto, creando un cosmos absolutamente irreconocible si nosotros pudiéramos vivir en él. Para hacerte una idea, puedes ver estas dos aplicaciones en flash que te van sumergiendo cada vez en lo más pequeño, para que tengas un fascinante viaje a este mundo:

Nanoviajes – Aventuras a través de los decimales En este flash debes pulsar el botón del maletín para comenzar, ya que despista un poco

Tamaño de las células y otras escalas

Son todas estas y muchas razones más las que nos obligan a explicar el universo de lo muy pequeño de diferente forma a como lo hacemos del que observamos a simple vista. En el próximo artículo explicaré el por qué igualmente, a gigantescas escalas, el universo debe ser explicado de otra forma diferente pero completamente fascinante.

Este experimento consistía en un intento de discernir si la naturaleza de la luz era ondular o corpuscular. Es decir, si era una onda o una partícula. En un principio, este experimento, que puedes observar en este vídeo, trataba de comprender la naturaleza de la luz. Sin embargo, derivó en conclusiones mucho más amplias y excitantes. Recomiendo verlo antes de continuar con el artículo. Son sólo 5 minutos y es muy visual y didáctico.

¿Te ha sorprendido? Pues todavía te quedan muchas cosas aún más sorprendentes por conocer.

Un experimento propuesto en 1978 por John Archibald Wheeler llamado experimento de elección retardada descubrió que, si ponías el ojo no delante de la rendija, sino detrás, ocurría algo absolutamente inexplicable. El detector no medía la partícula antes de que pasara por las rendijas, sino después, una vez que supuestamente hubiera pasado por ambas a la vez, como predecía el experimento anterior. Sin embargo, este acto de medida provocaba igualmente el colapso de la función de onda y detectaba que sólo realizaba el paso por una de las ranuras, no ambas. ¿Cómo es eso posible? ¿Cómo puede una partícula saber que va a ser medida y, en función de ello, elegir cruzar una sola de las rendijas?

Para contestar a esto lo primero que hay que entender es cómo realizan dicha medición. Imaginemos el experimento anterior tal cual está hecho, y colocamos un emisor de fotones tras la rendija. Usamos electrones como partícula a emitir en el cañón, siguiendo este esquema:

Experimento de elección retardada de Wheeler

La lámpara emite fotones que rebotan (o no) con el electrón que cruza una u otra rendija. Con esta interferencia y fotodiodos colocados estratégicamente, se puede saber si un electrón cruzó una u otra rendija.

Existe otra versión del experimento que usa espejos semireflectantes, usando el interferómetro de Mach-Zender. Un espejo semireflectante deja pasar el 50% de la luz que incide sobre él, y refleja el 50% restante. Cuando la luz incidente se reduce a un sólo fotón, este porcentaje se sigue conservando, y el fotón pasa y se refleja a la vez, de forma similar a como antes los fotones pasaban por ambas rendijas a la vez, y más adelante interfiere consigo mismo. Aplicando este sistema a un cañón de electrones y espejos semireflectantes para electrones, tenemos el interferómetro antes mencionado. Un esquema de su funcionamiento lo puedes ver a continuación:

Interferómetro de Mach-Zender

Está compuesto por un emisor de electrones, dos espejos semireflectantes, dos espejos normales y dos detectores. Cuando un electrón sale del emisor, el segundo espejo semireflectante no está colocado ahí, con lo cual se comporta como onda, se refleja en ambos sentidos a la vez, y al llegar a los detectores éstos reciben un patrón similar al del experimento de la doble rendija, con interferencias del electrón consigo mismo.

Si después de que el electrón cruce el primer espejo semireflectante colocamos instantáneamente el segundo antes de que llegue a él, y ese mismo espejo contiene un detector (similar al que mencioné antes) que es capaz de decir de dónde procede el electrón, si del espejo de arriba o el de la derecha, en ese momento se pierde el patrón de interferencia que procedía del primer espejo, comportándose el electrón como partícula desde que fue emitido. Esto resulta difícil de comprender, pero ocurre tal cual lo cuento, y es una paradoja muy sorprendente. ¿El electrón es capaz de avisarse en el futuro a sí mismo que va a ser medido para que cruce el primer espejo como partícula y no como onda? ¿Es posible colapsar la función de onda con efecto retroactivo?

Una de las propuestas para explicar este experimento es que realmente existe una especie de comunicación entre el futuro de la partícula y su pasado, para colapsar su función de onda con carácter retroactivo. Sin embargo ¿hasta cuánto puede llegar ese viaje en el tiempo? Estos experimentos tienen lugar en cajas de pocos metros de ancho, pero si se realizara con espejos situados a varios años luz de tamaño, ¿seguiría ocurriendo ese fenómeno? La respuesta lógica es que sí, pero entonces el viaje en el tiempo sería de varios años, lo cual rompe todos los conceptos básicos de causa-efecto en física. Ahora el efecto es anterior a la causa. ¿Es esto posible o asimilable?

Una vez estamos en este punto, cada uno puede tener una diferente opinión de lo que ocurre ahí, pero antes de sacar conclusiones precipitadas, quiero dejar claros varios puntos que normalmente no se explican:

• La conocida ley del Principio de Incertidumbre de Heisenberg nos impide conocer la posición de la partícula (por qué rendija pasó) sin alterar su velocidad, lo cual puede resultar en su colapso de onda. Realmente el mismo hecho de medirla altera todos los resultados del experimento, ya que sería similar a decir “Mira, esto es la cabeza de una persona y dentro hay un cerebro que probablemente piensa. Sin embargo, acabo de cortársela con una motosierra para mirar dentro y ahora me doy cuenta de que no piensa. Por tanto, el hecho de observar el cerebro hace que no piense”. ¿Esto es así? No, el cerebro no piensa porque le has cortado la cabeza, no porque lo observes, así que no sabemos si es el acto de observar lo que colapsa la función de onda, o el hecho de que estemos bombardeando con auténticos cañones fotónicos a los electrones que tratamos de medir. Si existiera un método no invasivo de observación que permitiera saber por dónde ha pasado el electrón, quizás no colapsáramos la función de onda, ni en el futuro ni en el pasado.
• Una partícula no es inteligente, ni tiene suficiente información como para ser capaz de decirse a sí misma que va a ser medida por un fotón al cruzar un espejo semireflectante a la hora tal minuto tal segundo tal por un humano gigantesco. Es demasiada información para ser transferida. La única información que podría transmitir, en todo caso, es “colápsate, porque yo me he colapsado”.
• Por los anteriores dos puntos, no podemos llamar al “observador” así, sino más bien lo llamaríamos “colapsador“. Somos unos colapsadores de ondas, no un inocente ojo que espera ver por dónde pasa la partícula.

Personalmente, no pienso que exista una transferencia de información del futuro al pasado, sino que el hecho de que la onda se colapse a partir de cierto punto tiene unos efectos secundarios que nosotros, erróneamente, interpretamos como un colapso de onda retroactivo. Para entenderlo, supongamos que el electrón pasó, como onda, por ambas rendijas a la vez. Una vez cruzó ambas rendijas, fue detectado en determinado lugar por la lámpara y los fotodiodos. Esa observación provocó un colapso de onda en un punto aleatorio frente a una de ambas rendijas. Esto no quiere decir que pasara por esa rendija, sino que el colapso de onda mostró el electrón como si hubiera pasado por una rendija determinada. Es similar a lo que ocurre si mandamos los electrones uno a uno como vimos en el vídeo anterior: el electrón impacta en la pantalla de atrás en un punto concreto, no en todos a la vez. Igualmente, al intentar detectar el electrón justo frente a las rendijas, éste “impactó” con el fotón en un punto determinado frente a una de las dos rendijas, simplemente porque debido a la aleatoriedad de las fluctuaciones en mecánica cuántica dijo que en ese momento debía colapsarse en ese lugar y junto a esa rendija.

Finalmente, espero haber aproximado al lector un poco más cerca de cómo es realmente el mundo de las ondas y las partículas en la mecánica cuántica, y cómo toda partícula es a la vez onda, pero sólo se manifiesta con una de ambas formas en cada momento. A pesar de la longitud y el detalle de este artículo, a día de hoy no hay explicación consistente y absoluta de cómo es el mundo de lo muy pequeño, por lo que los cabos que se han quedado sueltos se dejan a la imaginación o deducción de cada persona. Si tenéis alguna idea, podéis participar en los comentarios, sois bienvenidos.

Bibliografía y referencias:

• La doble rendija de Feynman, experimentos con luz y electrones. [Inglés]
• La paradoja de Hardy, de donde he cogido una de las imágenes del interferómetro de Mach-Zender, para adaptarlo al experimento de este artículo.
• Introducción al fenómeno del experimento de elección retardada. [Inglés]
• Experimento de elección retardada de Wheeler (Wikipedia). [Inglés]