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La física cuántica cura

Hace unos días recibimos un correo en que se nos preguntaba “En forma entendible, ¿qué es la física cuántica?” Vamos a intentar explicarlo.

Factor de escala

La física cuántica no es más que la parte de la física que estudia el mundo a escala microscópica. No microscópica del microscopio del laboratorio del instituto (que sirve para ver cosas del orden de 0,001 mm, por ejemplo los glóbulos rojos), ni siquiera de un microscopio electrónico (para cosas de 0,0000001 mm), sino microscópica a nivel del átomo: 10^(-37) mm (10 elevado a menos 37; esto son 0,000000000000000000000000000000000001 mm: 37 ceros entre la coma decimal y el uno). Este valor viene de la constante de Planck. Es difícil imaginarse estas magnitudes tan pequeñas… Para que se hagan una idea de cuánto son 37 decimales (37 órdenes de magnitud), a la inversa (es decir, hacia arriba): la edad de la tierra en segundos es “solo” de 1,4*10^17 (17 ceros detrás del 1,4).

Es decir, la física cuántica es la física de lo muy pequeño, y se usa para estudiar la estructura del átomo.

Breve historia

Newton, en el s.XVII, con su Teoría clásica de la mecánica, explicó el mundo que se conocía entonces. Gracias a ella, por ejemplo, se puede prever con exactitud dónde caerá una piedra lanzada con una catapulta; o diseñar un avión a reacción; y su Ley de la gravitación universal sirvió en su día para descubrir Plutón, gracias a ciertas perturbaciones que este produce en la órbita de Neptuno (que a su vez había sido descubierto por las perturbaciones que producía en la órbita de Urano).

La Teoría de la relatividad amplió la Teoría clásica, de manera que con ella se pueden explicar fenómenos que suceden a velocidades cercanas a la de la luz. No es muy útil en nuestro día a día, pero gracias a ella se ha podido conocer la edad del universo; o se pueden estudiar fenómenos como la curvatura espacio-tiempo, que parece sacado de Star Trek; o se pudo demostrar que nada puede viajar más rápido que la luz. La Teoría clásica es un caso particular (el que se aplica en la escala en la que vivimos nosotros) de la Teoría de la relatividad. Entre muchas otras cosas, esta última explica las relaciones entre materia (masa) y energía: el archifamoso E=mc^2.

Tras las primeras teorías sobre el átomo a principios del s.XX (un núcleo formado por protones y neutrones, rodeados de electrones en órbita circular a su alrededor), se ha ido descubriendo que existen infinidad de partículas elementales (fermiones, taquiones, muones, mesones, y muchos otros “ones”; algunas de ellas con una vida media de 10^(-12) segundos) que a su vez son las que forman los protones y neutrones. Todo esto es lo que estudia la física cuántica: su estructura, su comportamiento, las interacciones entre energía y materia; por tanto una de sus herramientas es la Teoría de la relatividad.

Principios básicos

Algunos de los principios básicos de la física cuántica son:

  1. La dualidad onda partícula: una partícula a veces se comporta como onda (p.ej. como las ondas de radio), a veces como partícula (p.ej. como una bala de cañón). Esto se aplica solo a partículas a nivel cuántico: un grano de polen solo se comporta como partícula
  2. Principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual es imposible medir simultáneamente, y con precisión absoluta, el valor de la posición y la velocidad de una partícula (la incertidumbre no es a causa de los instrumentos de medida, sino de la interacción con el sistema que supone el hecho de que el observador tome la medida)
  3. Como corolario de los anteriores, la posición de las partículas viene definida por una función que describe la probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante (ya que no podemos saber exactamente dónde ni cómo está la partícula); de ahí sale la supuesta paradoja del gato de Schrodinger; (que no es tal paradoja, ya que estamos hablando de un gato cuántico, es decir, un gato que mide 10^(-35) cm)
  4. Las partículas intercambian energía en múltiplos de una cantidad mínima posible, que es lo que se llama “cuanto de energía” (o quantum), y de ahí el nombre “física cuántica”

Ejemplos

En la escuela todos hemos hecho ejercicios de aplicación práctica de las ecuaciones dadas por la Mecánica clásica: el tiro parabólico; fuerza igual a masa por aceleración; la conservación de la cantidad de movimiento (que es el principio que hace funcionar a los aviones a reacción).

Tampoco es difícil hacer algunos cálculos con la relatividad, o al menos entender sus efectos; por ejemplo la descripción del universo en expansión; o la dilatación del tiempo explicada mediante la paradoja de los gemelos.

La física cuántica es otro cantar; es sobre todo teórica, y se hace difícil poner ejemplos directos de aplicación práctica de sus ecuaciones diferenciales. Igualmente es difícil crear experimentos que puedan corroborar (o refutar) las predicciones teóricas: se necesitan aceleradores de partículas y otros equipos muy complejos y muy caros (y a veces muy grandes). Esto ha hecho que la teoría, pese a ser consistente con las observaciones, se haya visto sujeta a diversas interpretaciones. Algunas de ellas, controvertidas, llegan a afirmar que existirían universos paralelos, o teorizan la existencia de más de las 3 dimensiones que percibimos (entre 10 y 27, en función de diversos modelos en estudio). Así pues, como cualquier otra ciencia, la física cuántica intenta explicar como funciona el mundo; e intenta hacerlo desde la base, es decir, desde las partículas más pequeñas que lo forman.

En cualquier caso, el saber cómo es el comportamiento de las partículas elementales (sobre todo los electrones, es decir, los impulsos eléctricos), ha llevado al diseño de importantísimas aplicaciones prácticas. ¿Alguna vez os habéis planteado cuáles?; por ejemplo:

  • El estudio de materiales semiconductores, que llevó a la invención de diodos y transistores, y finalmente de los microprocesadores
  • El microscopio electrónico
  • El láser
  • Los materiales superconductores, y de ahí la levitación magnética (y el tren bala a 430 km/h)
  • Las resonancias magnéticas
  • La criptografía cuántica
  • Las memorias flash en los “lápices de memoria” USB
  • Los ordenadores cuánticos, en fase de desarrollo
  • La teleportación (*)

(*) Diversos experimentos han conseguido teletransportar fotones, o más bien la información que estos poseen, tal y como predicen las teorías de la física cuántica. Nada que ver con el “Beam me up, Scotty!” de la ciencia-ficción (mucha más ficción que ciencia).

- Pero los perros observan el mundo, lo que quiere decir que, según la mecánica cuántica, deben tener alma.  Consejo de un profesional: Podéis ignorar sin problemas cualquier frase que incluya las palabras “según la mecánica cuántica”.

– Pero los perros observan el mundo, lo que quiere decir que, según la mecánica cuántica, deben tener alma.
Consejo de un profesional: Podéis ignorar sin problemas cualquier frase que incluya las palabras “según la mecánica cuántica”.

La física cuántica no es magia

Como hemos dicho, la física cuántica estudia radiaciones energéticas, la estructura de la materia, los átomos y las partículas que lo forman. A esa escala, los resultados que se obtienen son a menudo contraintuitivos, incluso pueden parecer paradójicos; que no impredecibles (la teoría los predice muy bien), pero sí se podría decir que “raros”. Y muchos pueden tomar “mágico” como sinónimo de “raro”.

La física cuántica es muy complicada, difícil de entender sin haber estudiado mucho. Y, como los resultados son sorprendentes, es un campo abonado para que charlatanes sin escrúpulos metan el adjetivo “cuántico” a cualquier cosa a la que quieren llamar “magia” (en el peor sentido de la palabra) para aprovecharse de la credulidad de los que prefieren confiar en la ciencia: “cuántico” suena más serio que “mágico”.

Pero nosotros no podemos comportarnos como onda; somos demasiado grandes. Ni siquiera nuestras células pueden. Y tampoco las transmisiones neuronales son aplicables a la física cuántica. No es la probabilidad la que define dónde estaré dentro de un minuto, sino la física clásica: distancia recorrida igual a velocidad por tiempo. Igualmente podemos medir la energía que gastamos al echar un polvo (unas 100 calorías, esto son unos 418 joules), que está algo lejos de la constante de Plank (6,6*10^(-34) joules por segundo): nuestro cuerpo no es cuántico.

Que el observador de un fenómeno cuántico influya sobre lo observado no quiere decir que nosotros podamos “crear nuestra realidad”, ni que las expectativas del observador puedan influir en la realidad ni que por tanto podamos elegir lo que nos va a pasar. Nada de agitar el chi o los chacras. Nada de justificar teorías disparatadas sobre “medicina integrativa” o “terapias holísticas”. Cualquier “medicina cuántica” es una farsa.

A nivel cuántico pasan cosas maravillosas, inimaginables, difíciles de entender y poco intuitivas. Pero la física cuántica no es magia, ni hace magia.

La física cuántica no cura enfermedades. Pero saber qué es la física cuántica (y sobre todo, qué no es) puede curarnos de caer en manos de charlatanes.

Imagen de portada y central: XKCD de Randall Munroe, bajo licencia CC, obtenida aquí.

 

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bruno

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Ex-superhéroe atropellado. Escéptico, nihilista, ingeniero naval. Pensativo, vivo sin vivir en mí, buscando respuestas en los posos de mis Crunchy Nuts.

7 Comments

  1. July 10, 2014 at 11:14 am —

    Hola.
    Aún no he terminado el artículo, pero no puedo dejar pasar algunos errores de bulto en el apartado referente a las escalas:

    – 10^(-37) mm (10 elevado a menos 37; esto son 0,000000000000000000000000000000000001 mm: 37 ceros entre la coma decimal y el uno)
    NO, son 36 ceros entre la coma decimal y el uno ya que este también cuenta.

    – 1,4*10^17 (17 ceros detrás del 1,4)
    NO, aquí hay dos errores, primero no quitar el decimal ya que 17 ceros detrás de 1,4 siguen siendo 1,4. Y segundo, que solo son 16 ceros detrás del 14 ya que la posición decimal que tiene el 4 también cuenta.

    – De este no estoy muy seguro ya que son muchos años desde que lo estudié en secundaria (no tengo estudios universitarios), pero creo recordar que cuando se usa la notación científica (X*10^Y) se ha de usar la unidad de medida y no un múltiplo o divisor de la misma. Así no sería correcto decir 10^(-37) mm sino que se debería decir 10^(-40) m. Pero remarco que de este punto no estoy demasiado seguro.

    Por lo demás, me encanta la web, aunque sea un escéptico y no una escéptica nunca me he sentido excluído.

  2. August 4, 2014 at 3:25 pm —

    ¡Perdón por el retraso en contestar!: publiqué el post y huí de vacaciones.
    Haber ido a la universidad no es garantía de nada, como efectivamente demuestra el baile de ceros que indicas, en los dos casos (culpa de una revisión demasiado rápida, y de haber barajado diferentes unidades durante la escritura del post).
    Los otros dos “errores”, lamento decir que no son tales: es cierto que 1,40000 = 1,4, pero 1,4*10^5 = 1,4*100.000 = 140.000 (y lo mismo vale para 16 o 17 ceros); y la notación científica son simplemente números, y detrás podemos poner cualquier unidad, sea del sistema internacional o no.
    ¡Gracias en cualquier caso por los apuntes! (y de nuevo mis disculpas por el retraso en contestar).

  3. August 5, 2014 at 11:02 am —

    Gracias por contestar, aunque haya pasado tanto tiempo. También son ganas irse de vacaciones…

    Al respecto de la respuesta:
    “…pero 1,4*10^5 = 1,4*100.000 = 140.000 (y lo mismo vale para 16 o 17 ceros)”
    Creo que no has leído bien mi comentario ya que tu mismo me das la razón en el mismo. Yo dije:
    “Y segundo, que solo son 16 ceros detrás del 14 ya que la posición decimal que tiene el 4 también cuenta.”
    Del mismo modo que, en tu ejemplo, hablas de 10^5 y luego pones 4 ceros en lugar de 5.

    Y sobre la notación científica, pues sí, son solo números pero la forma correcta de representarlo es mediante las unidades del SI:
    http://iesfgcza.educa.aragon.es/depart/fisicaquimica/adobeacrobat/Ejercicios3Recuperacion.pdf

    Por lo demás, como ya dije, buen artículo.
    ¡Ah! Feliz refreso de las vacaiones }:-P

    • August 5, 2014 at 11:30 pm —

      ¡Qué menos que contestar los (pocos) comentarios que tenemos!
      Sí, ya dije que el baile de ceros se había producido.
      También es cierto que “17 ceros detrás de 1,4 siguen siendo 1,4”, pero eso no es lo mismo que 1,4*10^17.

  4. August 5, 2014 at 1:30 pm —

    La verdad que a mi humilde entender, no hay una normativa acerca del uso del SI y la notación científica. Es cierto que se acostumbra a enseñar de ese modo, como muestra en esa guía de ejercicios, para que uno aprenda lo básico, es decir, la tablita de 10-3 es mm, 10-6 es um, etc.
    Yo acostumbro a llevar todo lo que puedo a unidades básicas del SI para simplificar el cálculo, pero para mí es fácil decirlo, porque lo mío es la Ingeniería, no la astronomía o justamente, la física cuantica o nanotecnología.
    Igualmente poniendome autocrítica, y revisando este escrito, es una opinión que es natural que tenga, ya que como ingeniera busco más la practicidad que la corrección y realmente me rebelaría ante una convención matemática que impide usar los números como a uno mejor le sirva para trabajar (así como si existe el dios de la biblia, no me interesa entrar a su cielo =P). Por lo tanto no sé para qué discuto la existencia de normas a las que, existan o no, no me ajustaría.

    • August 5, 2014 at 1:32 pm —

      Me faltó un “la” entre “o” y “nanotecnología”. Con algunas normas sí me obsesiono.

    • August 5, 2014 at 11:26 pm —

      En Europa es obligatorio, por ley, utilizar unidades del SI para documentos oficiales, proyectos con la administración, etc. (en España, según Real Decreto RD 2032/2009, que traspone varias Directivas de la UE). Por eso, por ejemplo, los meteorólogos dan la presión atmosférica en hPa, en lugar de en bares como hacían hace años. Pero las unidades son independientes del tipo de notación, sea científica o no.
      Evidentemente, diferentes campos utilizan diferentes notaciones y unidades, por comodidad y/o costumbre. Por ejemplo en lo mío, los barcos, se mide en metros; pero curiosamente los veleros se miden en pies.

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