La mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la teoría física que describe el comportamiento de la materia y la luz a la escala de los átomos y las partículas subatómicas. Es la teoría científica mejor comprobada que existe: algunas de sus predicciones coinciden con los experimentos en diez o más cifras decimales. Y es también la más extraña, porque en ese mundo diminuto las partículas se comportan como ondas, la energía llega en paquetes y el resultado de una medida solo puede predecirse como probabilidad.

Empezó con un problema que parecía menor. En 1900 Max Planck no lograba explicar la luz que emite un cuerpo caliente hasta que supuso, casi como un truco matemático, que la energía se intercambia en paquetes indivisibles, los cuantos. En 1905 Einstein se tomó la idea en serio y explicó el efecto fotoeléctrico suponiendo que la propia luz está hecha de partículas, que hoy llamamos fotones. La luz, que un siglo de experimentos había mostrado como onda, resultaba ser también partícula.

En 1913 Niels Bohr aplicó los cuantos al átomo. Propuso que los electrones solo pueden girar en órbitas con energías determinadas y que emiten o absorben luz al saltar entre ellas. El modelo explicaba con precisión los colores de la luz del hidrógeno, pero era una mezcla de física clásica y reglas añadidas a mano. En 1924 Louis de Broglie dio el paso inverso al de Einstein: si la luz es onda y partícula, quizá los electrones también. Pocos años después los experimentos de difracción le dieron la razón.

La teoría completa llegó en dos años. En 1925 Werner Heisenberg, con 23 años, formuló una mecánica basada solo en magnitudes observables, que Max Born y Pascual Jordan reconocieron como un cálculo de matrices. En 1926 Erwin Schrödinger presentó una ecuación de ondas que daba los mismos resultados por otro camino. Ese mismo año Born propuso cómo interpretarla: la onda no describe dónde está la partícula, sino la probabilidad de encontrarla en cada lugar. En 1927 Heisenberg enunció el principio de incertidumbre: no se pueden conocer a la vez con precisión arbitraria la posición y la velocidad de una partícula.

La nueva teoría funcionaba, pero su significado dividió a sus fundadores. Bohr y Heisenberg defendieron la interpretación de Copenhague: no tiene sentido preguntar qué hace una partícula cuando nadie la mide. Einstein no lo aceptó. En 1935, con Podolsky y Rosen, presentó un argumento según el cual la teoría debía de estar incompleta, porque predecía correlaciones instantáneas entre partículas separadas, lo que hoy se llama entrelazamiento. Ese mismo año Schrödinger inventó su famoso gato, vivo y muerto a la vez, para mostrar lo absurdo de aplicar la superposición a objetos cotidianos.

El debate parecía filosófico hasta que John Bell mostró en 1964 que podía decidirse con experimentos. Los de Alain Aspect en los años ochenta, y muchos posteriores, dieron la razón a la mecánica cuántica: el entrelazamiento es real, y la naturaleza no se deja describir con variables ocultas locales como quería Einstein. Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger recibieron por ello el Nobel de Física en 2022. El experimento de la doble rendija resume todavía el misterio: partículas que, enviadas de una en una, forman un patrón de interferencia como si pasaran por dos sitios a la vez.

Lejos de ser una curiosidad, la mecánica cuántica está en la base de la tecnología moderna. Sin ella no existirían el transistor ni los chips, el láser, los ledes, la resonancia magnética ni los relojes atómicos que hacen funcionar el GPS. Hoy se intenta usar directamente sus rarezas en ordenadores cuánticos y comunicaciones cifradas. Lo que sigue sin resolverse es cómo encajarla con la relatividad general, la otra gran teoría del siglo XX, en una descripción única de la gravedad y del origen del universo en el Big Bang.

El gato de Schrödinger – El principio de incertidumbre – La teoría de la relatividad – El experimento de la doble rendija