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domingo, 4 de noviembre de 2012

Crónicas Antrópicas 44 - "El advenimiento de la Mecánica Cuántica".


El estudio de la luz había sido dificultoso debido a su naturaleza. Recién en el siglo XVII, la velocidad de la luz pudo ser estimada de una manera razonable, pero su naturaleza era desconocida. Isaac Newton estaba convencido de que tenía una naturaleza corpuscular, en extraño acuerdo con Descartes a quien desbancaría en todo lo demás; su contemporáneo Christian Huygens pensaba por el contrario que la naturaleza de la luz era ondulatoria. En el siglo XIX, se consiguió vincular la luz, la electricidad y el magnetismo: la luz era una forma de radiación electromagnética, en efecto. Pero de manera desconcertante, algunos fenómenos relativos a la luz sólo podían ser explicados si la luz presentaba un carácter corpuscular. En el año 1900, el afamado científico Lord Kelvin presentó una conferencia en donde anunció el final de la Física, ya que todo estaba conocido... salvo por lo que llamó "dos nubes oscuras", que eran el tema de la radiación del cuerpo negro, y el experimento de Michelson y Morley. Sobre el segundo ya nos referiremos en otro capítulo de las Crónicas Antrópicas. En cuanto al primero, versa sobre el fenómeno observado de la radiación que es emitida por un cuerpo en equilibrio termodinámico con el ambiente: ¿cómo es posible que si un cuerpo no está "más caliente" que el entorno, aún así pueda emitir energía? Es como si una estufa apagada, a la misma temperatura del medio ambiente, siguiera emitiendo calor. ¿Cómo puede ser esto posible?


En ese mismo 1900, un científico llamado Max Planck aventuró una interesante teoría. Quizás la luz no se emita como un chorro continuo y "apagable" hasta el infinito, sino que está conformada por "paquetes" de energía, a los que llamó "quanta". El hallazgo de Max Planck fue remachado por un científico posterior que, en 1905, utilizó esta teoría para explicar el efecto fotoeléctrico; este efecto es el mismo que opera en los sensores de luz que abren o cierran las puertas de los ascensores al paso de la gente, y se explica por la emisión de partículas de luz (llamadas después "fotones"). Era una prueba decisiva a favor de la teoría corpuscular de la luz. Dicho científico recibió el Premio Nobel de Física de 1921 por su hallazgo. Su nombre era Albert Einstein: en efecto, y contrario a la creencia común, Einstein no recibió el Nobel por su Teoría de la Relatividad...



Sin embargo, las cosas iban a volverse más embrolladas. ¿Qué es entonces la luz, un haz de ondas o un chorro de corpúsculos? ¿Por qué a veces puede comportarse como una onda, y a veces como un chorro de partículas? Las ecuaciones de Einstein abrieron la puerta a la idea de que la luz puede comportarse como ambas, o incluso ser de una naturaleza dual. Un par de décadas después, un científico llamado Louis-Victor de Broglie hizo extensivas las ecuaciones einstenianas sobre la luz a toda la materia, y descubrió que calzaban. La conclusión era desconcertante: ¡resulta que toda la materia posee una onda asociada! Es decir, no sólo las partículas de luz (los fotones, como se los llamaría por esa época) tenían una onda asociada, sino también los electrones, los átomos... Incluso las personas y los planetas, aunque en el caso de los objetos macroscópicos, aquellos de un tamaño significativamente mayor al átomico, la onda asociada se reduce hasta niveles tan diminutos que pasa a comportarse como si no existiera en la práctica. De ahí que por primera vez se esbozó la gran línea divisoria entre el mundo cuántico y el mundo real: es en el mundo cuántico en donde la ahora llamada dualidad onda-partícula se hace lo suficientemente significativa como para romper con las leyes newtonianas de la naturaleza.


Para explicar algo tan contraintuitivo como que una partícula pueda ser esto y una onda al mismo tiempo, y que aún así las veamos en una forma u otra, pero no ambas a la vez, el científico Werner Heisenberg lanzó un postulado muy atrevido: es posible conocer la posición de una partícula, o la velocidad de la misma, pero no ambas al mismo tiempo. Es decir, si medimos el lugar en que se encuentra la partícula en un momento dado, no sabremos nada sobre su movimiento, y si medimos su velocidad o movimiento, no podemos determinar su ubicación en un momento dado. A esto se le llamó el "principio de incertidumbre". De pronto, el querido modelo atómico que comparaba a los átomos con diminutos "sistemas solares" al estilo newtoniano, fue sepultado para siempre: seguía siendo válido que los electrones estaban alrededor del núcleo, pero no como un planeta en su órbita, sino como una "nube de probabilidad". Para la Mecánica Cuántica, calcular la probabilidad de un millón de átomos es juego de niños: hacerlo sobre un solo átomo, es imposible. Algo después vino la llamada paradoja del Gato de Schrödinger: un gato está dentro de una caja con una botella de veneno que será liberada y matará al felino cuando un átomo emita una partícula de radiación. ¿Está el gato vivo o muerto? Si miramos en la caja, lo sabremos, pero si no miramos, no podemos determinar otra cosa sino la probabilidad de que el gato esté vivo o muerto, sin tener ninguna certeza: no podemos saber con certeza sólo a partir del cálculo matemático si la partícula de radiación ha sido emitida o no con certeza, y por lo tanto, si el gato está vivo o si el veneno se ha liberado.



Después de la postulación del principio de incertidumbre de Heisenberg, los científicos empezaron a cuestionarse las bases mismas de la realidad, la posibilidad misma del conocimiento total al estilo newtoniano o laplaciano. ¿Qué significa la incertidumbre? ¿Significa que no tenemos todavía las herramientas empíricas o matemáticas para ir más allá de la nube de probabilidad? ¿O por el contrario, esta incertidumbre es un valor fundamental de la realidad, un límite para aquello que puede ser conocido por parte del ser humano respecto del mundo material? La cuestión ha generado tormentas de debates en la comunidad científica durante casi un siglo, y al momento de escribir esto, no parece tener trazas de resolverse. Lo que sí queda en claro, es que la Mecánica Cuántica alteró de una vez por todas y para siempre, todo el determinismo sobre el cual se había construido la física convencional desde los tiempos de Galileo y Newton.

Próxima entrada: "E=mc2".

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