Mecánica Cuántica Parte I

                                     La Mecánica Cuántica

El conflicto de ideas ente Einstein y Bohr dio lugar a uno de los mayores debates científicos de la historia y que nos dejó la interpretación de Copenhague, una de las interpretaciones de la mecánica cuántica más utilizadas actualmente. Pero primero, ¿por qué se necesita una interpretación?, es decir, grandes teorías como la relatividad general o la teoría de la evolución no necesitan de ninguna interpretación. Bueno, la mecánica cuántica presenta varias diferencias entre su teoría matemática y los propios experimentos, ya que sus ecuaciones matemáticas no describen sucesos observables en los experimentos como, por ejemplo, el colapso de la función de onda.

Pero empecemos primero explicando uno de los experimentos considerado como pionero en la mecánica cuántica, el experimento de la doble rendija. Este experimento en realidad consistía en un conjunto de cuatro experiencias, en las que se observa el comportamiento de los átomos sometidos a diferentes factores. Expliquémoslo de forma sencilla, quitándonos la parte de complicados componentes y simplificándolo en una sencilla caricatura. En el experimento se dispondría de una “máquina del azar” conectada a dos cajas, que se encargaría de distribuir un átomo de forma aleatoria en una de las dos cajas. Estas dos cajas podrían abrirse para comprobar la posición el átomo y para liberar el átomo, que colisionaría con una pantalla detectora que se encontraría en frente de las cajas. En la primera experiencia, se activa la máquina del azar, se abre una de las dos cajas y se comprueba que el átomo está en una caja y no en la otra, se repite varias veces y además se confirma que el átomo ha sido distribuido más o menos de manera equitativa en las dos cajas, obteniéndose los resultados esperados. En la segunda experiencia, se activa la máquina del azar y se abre una de las dos cajas, pero esta vez observando la colisión del átomo en la pantalla detectora, se repite varias veces, y como es de esperar, se obtiene que cuando el átomo salía de una caja, no salía de la otra y además presentaban una concentración mayor de colisiones dónde había una mayor probabilidad de colisión, como podemos observar en la imagen. En la tercera experiencia, se activa la máquina del azar y se abren las dos cajas a la vez de forma de que no se puede saber de qué caja sale el átomo, pero aun así se espera un resultado parecido al de la experiencia anterior, sin embargo, tras repetir el experimento, se observa que la cantidad de colisiones se han aglomerado en otras zonas diferentes al de la anterior experiencia. En la cuarta experiencia se realizaba el mismo procedimiento que en la tercera, abriendo las dos cajas a la vez, pero esta vez colocando un detector de átomos antes de llegar a la pantalla detectora, obteniendo el mismo resultado que en la segunda experiencia. Esto no tenía una explicación directa hasta que se comparó los resultados de la tercera experiencia a los obtenidos con la interacción de dos ondas, amplificándose la cantidad de colisiones en algunos puntos y cancelándose en otras, naciendo así la dualidad onda-partícula para entender éste experimento. Y sí, este resultado se observa cuando interactúan dos ondas entre sí, ya que deducimos que el átomo se encuentra en las dos cajas cuando no se sabe la posición del mismo, es como si el hecho de medir en qué caja está el átomo fuera lo que provocara que el átomo se encontrase sólo en una caja.

A partir de este experimento, se crearon varias interpretaciones de lo que estaba ocurriendo, hasta que Schrödinger creó una entidad denominada la función de onda, Ψ. Esta entidad actuaba como un campo que llenaba todos los lugares y que tenía un valor concreto en cada punto del espacio representado con un número complejo. La aplicación de la función de onda en el experimento de la doble rendija presentaba una correlación con lo que se observaba en el propio experimento, excepto con la cuarta experiencia, la cual no explicaba por qué no se obtenían los mismos resultados ondulatorios de la tercera experiencia. Esto más tarde fue denominado por Bohr como el colapso de la función de onda y explicaba que al ser medido el átomo, la función de onda colapsaba alterando el resultado de las colisiones en la pantalla detectora.

Einstein y Schrödinger creían firmemente que la mecánica cuántica era perfectamente explicable matemáticamente y que estos resultados no se relacionaban con los experimentos físicos porque no se estaba teniendo en cuenta algún factor externo aún no descubierto.

Pero al mismo tiempo, algunos científicos como Heisenberg, Pauli o Jordan, liderados por Bohr, crearon otra interpretación de la mecánica cuántica basada en matrices, donde la materia salta de estado a estado siguiendo unas reglas dadas por las propias matrices, por lo que la materia no existe en los estados intermedios, sólo cuando es medida.

Ni Einstein ni Bohr era capaz de aceptar a la otra interpretación. La mayoría de sus disputas eran sobre el principio de indeterminación de Heisenberg, éste fenómeno tenía un problema filosófico que afirma que no pueden medirse con exactitud dos características de una partícula, el momento y la posición. Si intentamos aumentar la exactitud de una, la otra se vuelve menos exacta y viceversa. Según una interpretación más radical de la mecánica cuántica, esto defendía que las cosas no existen si no las estamos observando, ya que no se puede decir que una partícula tiene una característica hasta que no se mide.

Además, Einstein rechazaba otra idea, el entrelazamiento cuántico. Cuando dos partículas se encuentran entrelazadas se convierten en un solo sistema, por lo que una medición en una de ellas, aún separada por grandes distancias, afecta al comportamiento de la otra de forma instantánea. Einstein decía que no podía existir esta "acción fantasmal a distancia" ya que violaría el principio del propio límite de velocidad de la luz, puesto que no puede existir una información instantánea capaz de conectar dos partículas a largas distancias. Por contra, defendía que el estado de cada una de las dos partículas estaba determinado desde un principio, pero no podíamos observarlo porque la mecánica cuántica era una teoría incompleta.

Esto implicaba que la única forma de ver el universo sería observarlo en su totalidad, a una escala macroscópica. Ya que, si observas un área local, ésta puede ser alterada por el observador. Por lo que según este razonamiento no existen las verdades locales.

Por lo tanto, la mecánica cuántica, como veremos en la próxima entrada, es un tema muy interesante que sigue planteando cuestiones de gran importancia en los profesionales actuales. Desde nuestro punto de vista es un tema muy interesante de estudio puesto que por mucho que aprendas sobre él, siempre habrá algo nuevo.