Mecánica cuántica y realidad

La teoría cuántica revolucionó nuestra comprensión de la realidad. Anteriormente se pensaba que la materia que forma parte del mundo externo era de modo innegable y claro, la realidad.  Sin embargo, al comprender que la materia del mundo externo está formada por elementos microscópicos regidos por las paradójicas leyes de la física cuántica, resulta cada vez más difícil entender qué cosa es eso que llamamos realidad.

Esta es una fascinante odisea de la humanidad. Recordemos que con objeto de explicar el espectro de emisión de un cuerpo caliente -llamado problema del cuerpo negro- Max Planck en 1900 propuso que la energía solo puede ser emitida o absorbida en pequeños paquetes energéticos llamados “cuantos”. 

Para Planck esta propuesta solo fue inicialmente considerada como un artificio matemático con el cual obtuvo una formula que explica perfectamente el espectro de la radiación emitida por un cuerpo caliente y por tanto resolvió el problema del llamado cuerpo negro. Pronto Planck tuvo que reconocer que la propuesta de la cuantización de la energía no era solo un truco matemático, sino que realmente expresaba la naturaleza cuántica de la energía. Basado en esta propuesta, en 1905 Albert Einstein explicó el llamado efecto fotoeléctrico consistente en la emisión de electrones por materiales cuando estos son iluminados y en 1913 Niels Bohr propone un modelo para explicar la estructura atómica.

Otros importantes experimentos realizados en 1922 también corroboraron la existencia de los cuántos energéticos de Planck, estos fueron la dispersión de Compton, y el experimento de Stern-Gerlach para determinar el momento magnético atómico. Ante esta evidencia eventualmente Planck reconoció que los cuantos energéticos eran efectivamente parte de la realidad del mundo.

En 1924 Satyendra Nath Bose explica la ley de Planck a partir de una nueva ley estadística que gobierna a partículas llamadas bosones. Esto daría lugar a lo que ahora conocemos como los condensados de Bose-Einstein. En ese mismo año Wolfgang Pauli presenta el llamado Principio de Exclusión que establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, este principio permite de modo natural y elegante explicar muchos hechos de la tabla periódica de los elementos.

En 1925 George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit postulan la existencia del spin del electrón y en ese mismo año Werner Heisenberg, Max Born, y Pascual Jordan proponen la llamada mecánica matricial que es una formulación de la mecánica cuántica. Al año siguiente, en 1926, Erwin Schrödinger usando la propuesta ondulatoria presentada por De Broglie en 1924, desarrolla la ecuación que describe la evolución de la función cuántica de onda, esta es conocida como la formulación ondulatoria de la mecánica cuántica. La ecuación de Schrödinger sería generalizada por Paul Dirac en 1927 obteniendo una ecuación de onda relativista.

Albert Einstein, Boris Podolsky, y Nathan Rosen publican en 1935 lo que ahora se conoce como la Paradoja de EPR, la cual cuestiona la completez de la mecánica cuántica.  Si el realismo local es válido, ellos demuestran que se requieren parámetros ocultos para explicar cómo la medición del estado cuántico de una partícula puede influenciar el estado cuántico de otra partícula sin contacto aparente entre ellas.

Ese mismo año Schrödinger propone el experimento mental ahora conocido como Gato de Schrödinger el cual muestra la paradójica situación de partículas que están simultáneamente en dos estados cuánticos contradictorios. En 1936 Garrett Birkhoff y John von Neumann desarrollan la lógica cuántica en un intento por resolver inconsistencias de la lógica clásica y lógica de Boole con el principio de incertidumbre de Heisenberg, a partir de ahí se han desarrollado lógicas no conmutativas y lógicas no asociativas, entre otras.

A partir de los resultados mencionados se ha desarrollado una nueva visión de la realidad, la cual es muy diferente a lo que originalmente se pensaba. El tema es tan interesante que merece continuar en una segunda parte.