Todos los caminos conducen a Roma: ¿o al Mundo Cuántico? Parte I

Todos los caminos conducen a Roma es una frase que se le atribuye al emperador Augusto por estar inscrita en un monumento denominado “Milliarium Aureum”, erigido por él en el Foro de la Roma Antigua, año 20 a.C.. Ese lugar marcaba el arranque de las “calzadas romanas”, un modelo de camino para la organización del Imperio Romano. El camino o red viaria romana era el cimiento del ejército romano para la conquista de territorios, su rápida movilización, el transporte de mercancías y la expansión de la nueva cultura, la romanización.

Cuando el Imperio Romano estaba en todo su esplendor, el significado de esta expresión era literal ya que efectivamente todos los caminos conducían a Roma, centro del mundo. En tiempo presente, esta expresión figurativa tiene varias interpretaciones como: muchas maneras de llegar a un mismo objetivo, distintas opiniones que en el fondo buscan lo mismo…; sin embargo, en este artículo su significado se considera más cerca del sentido original porque alude a que: inevitablemente siempre llegaremos al mundo cuántico o a Roma.

Física Cuántica/Mecánica Cuántica

Nos adentraremos en este momento en el mundo cuántico… llevaba tiempo deseando hacerlo, ya que, en MiradorSalud, al reflexionar acerca de la epigenética, el cerebro, la mente, las emociones y sentimientos debíamos comprender este mundo/universo porque estos conceptos tienen una explicación cuántica, la cual exploraremos a lo largo de este texto. Para analizar cómo ocurre este vínculo, debemos conocer primero la teoría y qué son la física y el mundo cuántico, descritos sin mucha profundidad en el conocimiento de ambos ámbitos; a la vez, que se han seleccionados referencias con fines divulgativos

En la física clásica, el mundo apreciable, palpable y directo del ser humano, que corresponde, en general, al comportamiento y a las relaciones con la materia, alcanza la comprensión de lo que es o de lo que se puede observar/ver; mientras que los vínculos que suceden en el mundo atómico y subatómico, que poseen un alto grado de abstracción, y donde las imágenes directas se pierden y no son observables, se estudian en el campo de la teoría cuántica. La primera estudia lo observable o materia y la segunda estudia lo no visible asociada a una onda/energía. Por otra parte, una onda consiste en la propagación de una fluctuación o perturbación en alguna propiedad del espacio como densidad, campo eléctrico o electromagnético.

La física cuántica es una disciplina de alta complejidad que ha despertado en muchas ocasiones diversas incógnitas y grandes discrepancias en el quehacer científico porque su área de estudio es invisible a nuestros ojos, por su carácter antiintuitivo, a la vez que despierta enigmas y asombro (¿milagros?) que desafían al mundo cotidiano. Su comprensión facilita nuestro proceder en el mundo que nos rodea porque está presente en el mundo actual y en la vida cotidiana.

En la época de la física clásica, ahora también llamada física de las partículas/materia, se podía demostrar el modelo corpuscular, el cual, en aquellos tiempos, era incompatible con el modelo ondulatorio, la física de las ondas; se necesitaba entonces una nueva base interpretativa (¿de naturaleza cuántica?) que pudiera explicar, por ejemplo, el hecho de que la luz podía incluir los dos comportamientos: corpuscular y ondulatorio. Más adelante se logró mostrar la naturaleza probabilística de los fenómenos de la mecánica cuántica que acepta el modelo dual de la luz.

Propiedades del fenómeno cuántico

Estas propiedades, en cuyo descubrimiento e historia participaron los grandes físicos del siglo pasado, amén de que forman parte de los inicios del universo cuántico, son: la dualidad onda-partícula, la superposición cuántica, el entrelazamiento cuántico, el principio de incertidumbre y la cuantización, las cuales enumeraremos, muy por encima y sin entrar en detalles. Para profundizar visiten el libro “Analogías y conexiones en la física” (2020) que cubre aspectos y conexiones entre las dos físicas, clásica y cuántica, así como describe hasta donde se ha extendido la frontera de la física cuántica, narrado en 46 capítulos, cuya autoría es de físicos mexicanos.

1.- Dualidad onda-partícula

El fenómeno de “la dualidad onda-partícula” de la luz nos introduce a la ciencia cuántica. Este concepto partió del experimento de la “doble rendija”, realizado por primera vez en 1801 por el físico inglés Thomas Young, mucho antes de la llegada de la mecánica cuántica. Él trataba de descifrar el comportamiento de la luz y comprobó su constitución corpuscular; pero, en el experimento, nota que la luz posee propiedades solo asociables al comportamiento de una onda. Él creía que la naturaleza ondulatoria de la luz era la correcta. En aquellos tiempos se pensaba que la luz estaba formada solo por partículas.

Un siglo después, en 1905, Einstein advierte que la luz es una fusión de propiedades corpusculares y ondulatorias que se observa en fenómenos luminosos y que a veces se comporta como materia o como onda.

El experimento de la “doble rendija se convirtió en un clásico para demostrar la naturaleza dual de la luz, utilizado diversos abordajes que constituyeron distintas versiones del mismo, usando electrones, fotones, o fuentes de luz como el rayo láser. En todas las oportunidades se comprobó la naturaleza onda-partícula de la luz.

En la versión simple y moderna de este experimento se utiliza una fuente de luz que ilumina una lámina, donde se perforó una rendija estrecha por donde pasa la luz, tras la cual se encuentra otra placa que tiene dos rendijas por donde atraviesa el haz de luz y llega a una pantalla de proyección o una placa fotográfica para visualizar lo que ocurre. En este experimento pueden ocurrir dos patrones de comportamiento:

1. Si se cierra una de las rendijas de la placa intermedia, la luz continua su camino inicial por la rendija abierta y aparece un único pico, el trayecto de la luz fue uno solo, a través de una rendija en ambas láminas.
2. En cambio, cuando se mantienen ambas rendijas abiertas en la placa intermedia, la luz transita por las dos rendijas/vías, por lo que, se produce una interferencia entre los dos rayos de luz y en lugar de formarse una imagen de superposición de la luz que pasa por ambas rendijas se obtiene una imagen que contine unas rayas oscuras y otras brillantes. Este patrón se explica por la interferencia de las ondas de luz que se produce al combinarse la luz de las dos rendijas; este fenómeno es similar a lo que ocurre con las ondas de agua al tirar una piedra en un lago o por las olas del mar. Con una rendija la luz se comporta como partícula y con dos se comporta como onda.

Luego el concepto de la naturaleza dual de la luz se generalizó a toda entidad material (partículas y fotones), donde cada aspecto se manifiesta dependiendo del experimento realizado; esto debido a que si los fotones se asocian a una onda entonces las partículas de materia también se asociarían con ondas. Fue Schrödinger quién creó la ecuación de ondas (interferencia, difracción) que satisfacen las ondas de la materia. En fin, los cuerpos macroscópicos tienen asociados una onda, pero en aquellos con una masa muy grande es imposible de apreciar debido a que la longitud de onda resultaría en un tamaño muy pequeño. Al mismo tiempo, los objetos cuánticos son complementarios y sus distintas cualidades no se pueden medir al mismo tiempo o simultáneamente. Subrayamos: a diferencia de la física clásica que es determinística, la cuántica es probabilística.

Sin embargo, entre paradojas, han aparecido nuevos conocimientos que iluminan el mundo cuántico. Por ejemplo, la cuantificación o la medición de la dualidad onda-partícula del mundo cuántico se hizo en tiempo real y se comprobó que la medición/medida de un sensor influye en el comportamiento de un fotón cuando cambia de estado para atravesar una pared a través de una rendija. Estos resultados muestran que las propiedades del sensor, influyen en el carácter de onda o de partícula del fotón. Generalizando, el observador modifica lo observado, es decir influye en la realidad; aquí un video que explica muy bien este fenómeno. Si existe un observador se puede ver la partícula/materia, pero si no hay observador no se ve nada porque no hay quien la vea, y, el observador, a la par, influye en su realidad. Entonces: ¿cuántas realidades existen?, ¿tantas como observadores existen?

2.- Superposición cuántica

La superposición cuántica implica que un estado/circunstancia puede existir de muchas maneras dado su carácter probabilístico, y solo se podría conocer su posición final cuando es observado, convirtiéndose así en materia. Por ejemplo, una partícula puede estar de dos estados de excitación, pero solo revelará uno de ellos cuando es observada. Otro ejemplo muy conocido es la paradoja del gato de Schrödinger, atrapado en una caja con un frasco de veneno, el cual después de un tiempo, está vivo y muerto al mismo tiempo hasta abrir la caja y que se pueda observar el estado del gato. Es un experimento mental que explica la superposición cuántica.

3.- Entrelazamiento cuántico

Es la base que fundamenta la propiedad de vinculación de ciertas partículas, lo que significa que cuando se mide una partícula vinculada a otra, se conocerá automáticamente el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. También es definido como afectación simultánea de la conducta de dos objetos separados por grandes distancias o que pueden compartir un estado cuántico independientemente de la distancia. En 2022, el premio Nobel de física fue otorgado a tres físicos por su trabajo en el entrelazamiento cuántico, el cual revoluciona nuestro entendimiento de la naturaleza.

4.-Principio de Incertidumbre

Este principio de Incertidumbre/Indeterminación de Heisenberg (1925) es uno de los pilares de la física cuántica y establece la imposibilidad de determinar simultáneamente y con precisión un par de magnitudes conjugadas. Es decir que no existe la capacidad de medir al mismo tiempo las propiedades de una partícula subatómica como la posición y el momento o la energía y el tiempo. El mundo cuántico es probabilístico, donde no existe la cualidad llamada “precisión”.

5.- Cuantización

La cuantización es un procedimiento matemático para construir un modelo cuántico para un sistema físico, partiendo de su descripción clásica. Este modelo nos conduce al comportamiento cuántico de la naturaleza, como sería el entendimiento de los fenómenos electromagnético (espectoscopía) – el arcoíris – y fotoeléctrico – luz visible o luz ultravioleta -. Otros aspectos son que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía y, además, predice que los electrones solo ocupan ciertos niveles permitidos llamados órbitas o niveles cuánticos.

El mundo cuántico en la vida real

Al comparar lo extraño de estas características con las de la física clásica se puede llegar a la famosa afirmación de Richard Feynman “creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”, con la cual él quería decir que lo cuántico no se podía explicar en términos populares para ser comprendidos. Dada su inteligencia, para él era natural lo que no era para la mayoría de las personas.

Si trasladamos estos conceptos al mundo real en que vivimos, nos toparíamos con:

1) que la entidad dual de la materia puede manifestarse en distintos momentos, dependiendo de las circunstancias o que hay distintas visiones de una realidad que se nos escapa porque es muy compleja” (Ana María Cetto), que se necesita un observador para ver la materia y que éste la modifica con solo mirar; que existe la unión de lo tangible con lo intangible y que cada realidad solo existe para cada observador;

2) que pueden existir vínculos entre cosas del ambiente o personas que se comportan de igual manera, aunque se encuentren a extensas distancias una de la otra o que lo que le ocurre a una partícula puede afectar a su par; que existe una comunicación a distancia entre personas;

3) que no hay certezas en esta vida, que la realidad es probabilística, que existen universos paralelos y que la incertidumbre se vincula con el libre albedrío;

4) que las interacciones de las partículas del átomo determinan las propiedades macroscópicas de la materia, aunque se comporten de un modo distinto en la escala microscópica/subatómica; que la manifestación de lo macroscópico es materia y de lo microscópico es onda/energía.

En fin, a estas alturas, el funcionamiento del micromundo es incomprensible para el ser humano, pero su poder de transformación es inimaginable. La física afecta nuestras vidas.

Aquí algunos ejemplos de tecnologías de uso cotidiano que requieren de la física cuántica: los transistores de los chips de los procesadores, la resonancia magnética, el rayo láser, la televisión en 3D sin gafas de colores, los dispositivos/celulares móviles, el número de una tarjeta de crédito. Otros ejemplos más sofisticados serían la Inteligencia Artificial (IA), las tecnologías cuánticas de los sensores, el internet cuántico y las de los gigantes tecnológicos como Google, IBM, Intel, Apple, Microsoft, Amazon, Facebook, Tesla, Tencent y Saudi Aramco. Por último, se encuentra el ordenador cuántico, más potente que la actual supercomputadora, el cual utiliza las propiedades de la superposición cuántica, el entrelazamiento cuántico y la incoherencia cuántica para su construcción.

Otras disciplinas cuánticas:

Resulta que, recientemente, al mundo cuántico se están incorporando distintas disciplinas – inscritas en una segunda revolución cuántica – que pueden aportar soluciones a problemas de nuestro mundo clásico/real. Estas pueden tener repercusiones importantes en la creación de fármacos y tratamientos, en futuras pandemias, en la radio-diagnosis, en la geolocalización, en el aprovechamiento de la energía solar y en la industria de alimentos, entre otras.

En este camino aparece la biología cuántica, un salto vital, que estudia los fenómenos físicos en los organismos vivos y juega un papel importante en los procesos biológicos, por ejemplo, es vital para la fotosíntesis de las plantas o la respiración celular. A la vez, se está estudiando la naturaleza cuántica del olfato, la de la respiración y del fenómeno migratorio de las aves que aprovechan el campo magnético terrestre. También se han identificado un conjunto preciso y único de componentes biológicos y mecanismos claves en el procesamiento cuántico del cerebro.

El químico venezolano Vladimiro Mujica, quién trabaja en la Universidad de Arizona en el campo de la biología cuántica, comenta en una reciente entrevista a la BBC: de cierto modo “estamos resolviendo un misterio importante” y agrega la idea es entender lo más posible el alcance de esta rama que está revolucionando la manera de como entendemos la relación entre procesos cuánticos y la vida misma. También aparece la química cuántica, campo en donde este investigador obtuvo su doctorado.

Otras disciplinas que tienen que ver con el contenido de MiradorSalud y que llevan el apellido cuántico son: la epigenética cuántica, la neurología cuántica y la cognición cuántica, por nombrar algunas.

Al finalizar esta Parte I, nos podemos preguntar: ¿qué es la realidad?

En la próxima entrega, la Parte II, nos adentraremos en los artículos MiradorSalud relacionados con las disciplinas que llevan el apellido cuántico para aproximarnos a otros significados de nuestro proceder.

Se podría decir, que los avances futuros del universo cuántico podrían representar un cambio disruptivo en la vida que se materializará en los próximos 20 a 30 años, en forma de una revolución silenciosa, comentan algunos.

Irene Pérez Schael