La teoría de los "sistema cuánticos" se parece a la de las ruleta de casino: de la misma manera que podemos decir que hay un 50% de probabilidad de que la bola caiga en las casillas rojas, en el caso del "sistema cuántico", había un 50% de probabilidad de que se activase el dispensador de veneno (y otro 50% de que no se activase, claro). Pero, a diferencia del caso de la ruleta, los "sistema cuánticos" están a la vez en los dos estados, el que mata al gato y el que no lo hace.
Para entender por qué la "teoría cuántica" propone una visión de la naturaleza en la que debemos admitir que un sistema está en dos estados diferentes a la vez, debemos retroceder 35 años más en el tiempo, hasta 1900. En aquel momento los físicos creían que la mecánica de Newton, que permitía entender las órbitas elípticas de los planetas, la caída de las manzanas, y en general el movimiento de los objetos que nos rodean, debería también explicar el movimiento de los componentes elementales de la materia, como por ejemplo los electrones, descubiertos en 1897 por J. J. Thompson. En la teoría clásica de Newton el movimiento de un objeto, sea un planeta o una mosca, se describe con conceptos que nos resultan intuitivos, como posición y velocidad, y como todo el mundo sabe, un planeta o una mosca no pueden estar en dos sitios a la vez, o tener dos velocidades a la vez.
Por otro lado, en 1900 la física de las ondas estaba completamente desarrollada y permitía describir fenómenos como la propagación del sonido o de la luz. Al contrario que moscas, manzanas y planetas, una onda es un objeto que puede estar en dos sitios a la vez. Por ejemplo, las ondas sonoras de mi voz se escuchan a la vez en toda la habitación. Así, ondas y "corpúsculos", la horrible palabra que se usa para referirse a los objetos que, como los planetas o las manzanas, están gobernados por la teoría de Newton, eran entes radicalmente diferentes. Y aunque la polémica sobre si la luz tenía naturaleza "corpuscular" u "ondulatoria", llevaba encima de la mesa más de dos siglos, dado que diferentes experimentos apoyaban ambas posibilidades, no había ninguna duda de que planetas, manzanas y moscas eran corpúsculos.
En las dos primera décadas del siglo XX los experimentos empezaron a revelar la estructura de la materia a escala atómica. Así, se comprendió que todo, incluido nosotros, las manzanas, las moscas y los gatos, está hecho de átomos, de una cantidad extraordinariamente grande de átomos, dado que éstos son extraordinariamente pequeños. Así, un virus está hecho de varios millones de átomos. A su vez, se descubrió que en cada uno de estos átomos los electrones se movían alrededor de un minúsculo núcleo, evocando la imagen del sistema solar, en las que los planetas se mueven alrededor del sol. Aplicada a dimensiones tan minúsculas la teoría de Newton, combinada con la teoría electromagnética desarrollada en el siglo XIX, fallaba espectacularmente por dos motivos:
1) Un electrón que se moviera alrededor del núcleo emitiría ondas electromagnéticas, como un teléfono móvil, perdiendo así su energía, lo cuál le llevaría al colapso, "cayendo" al núcleo en menos de un milisegundo. De hecho, el mecanismo análogo haría que la tierra cayese sobre el sol, debido a la pérdida de energía por emisión de ondas gravitatorias, pero eso ocurririá en una escala de tiempo de 10 billones de veces la edad del Universo y para entonces el sol habrá desaparecido. Volviendo al hilo de lo que nos ocupa, la teoría convencional de Newton y la teoría electromagnética nos dicen que los átomos no pueden ser estables.
2) Los experimentos indicaban que los electrones dentro de los átomos únicamente podían intercambiar energía con el resto del universo en cantidades discretas, o "cuantos", en contra de lo que se conocía sobre los corpúsculos, cuya energía podía ser variada en cantidades arbitrariamente pequeñas. En cambio, el comportamiento de la energía de los electrones en los átomos era matemáticamente igual al de las frecuencias de las ondas. Por ejemplo, en un xilofón cada tecla vibra a una conjunto discreto de frecuencias.
Así, la teoría de Newton para los "corpúsculos" no podía explicar los resultados experimentales sobre el movimiento de los electrones dentro de los átomos, y estos tenían propiedades que recordaban matemáticamente a las ondas. Este gran enigma, y otros parecidos que fueron emergiendo en las dos primeras décadas del siglo XX, se resolvieron cuando varios físicos (Heisenberg, Dirac, Schrödinger) desarrollaron una teoría completamente nueva para describir el movimiento de los electrones, la teoría cuántica, cuya ecuación fundamental es la Ecuación de Schrödinger para describir el comportamiento de los corpúsculos, como los electrones, mediante una "función de onda".
¿Qué es la función de onda y qué significa?. Aquí es donde entra el casino cuántico en todo su esplendor. La "función de onda" nos informa sobre la probabilidad de encontrar al electrón en un punto del espacio. El problema es que el tamaño de las ondas podía ser realmente grande. Por ejemplo, un electrón puede estar a la vez en todos los átomos de un cristal. La teoría cuántica renunciaba así a asignar a los objetos una posición y una velocidad, y se limitaba a proporcionar una información probabilística que horrorizó a muchos físicos de aquella época, como Einstein y Schrödinger, que paradójicamente habían contribuido decisivamente a desarrollar la teoría. En este contexto histórico dijo Einstein una de sus frases más celebres: Dios no juega a los dados.
Lo cierto es que la teoría cuántica proporcionó una herramienta extraordinariamente eficaz para describir el comportamiento de los electrones y de las partículas fundamentales que se fueron descubriendo en las siguientes décadas. Estos éxitos, y las aplicaciones que se derivaron, como el desarrollo de tecnologías como el transistor, los circuitos integrados, la resonancia magnética y el laser, consiguieron que muchos se convirtieran en usuarios de la teoría sin entrar en el debate filosófico de qué diablos quiere decir que un electrón está en dos sitios a la vez, o que puede tener dos energías diferentes a la vez.
Con su experimento imaginario, Schrödinger trataba de derribar la barrera psicológica que permitía a los físicos admitir que los electrones y los átomos podían estar en dos estados a la vez, y los objetos "macroscópicos", como los gatos, no. Pero entonces, ¿dónde está la barrera que separa el mundo clásico del cuántico?. El concepto de decoherencia responde a esa pregunta, pero esta historia la contaremos otro día.
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