Cuántica: la física de las posibilidades

En su intento por explicar la materia y las fuerzas fundamentales del universo, la física, se topa con un inconveniente. Las teorías y modelos que explican el comportamiento de las partículas subatómicas, no se pueden unir, (de forma matemática, claro) con las teorías que explican la materia y el universo a escala grande, como lo hace la física clásica con las exactas y deterministas leyes de Newton: la gravedad, el movimiento, etc., o la física relativista de Einstein que explica el universo a grandísima escala con la teoría general de la relatividad. Ya aquí no son manzanas que caen de un árbol ni tampoco la fórmula del movimiento uniformemente acelerado de una bola, como en el mundo clásico, sino más bien estrellas, planetas, galaxias, agujeros negros, velocidades cercanas a la de la luz, etc.

La física cuántica estudia el comportamiento de la materia a escalas ínfimas. Se trata del mundo invisible y subyacente de las partículas elementales.

La física cuántica explica que la energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio energético hay una cantidad mínima involucrada, es decir un cuanto (cuantización de la energía). De aquí deriva el nombre "cuántico".

Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, a nivel cuántico no se habla de trayectoria, concepto fundamental en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese instante.

A partir de esa función, o función de ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.
Es decir, la mecánica cuántica es una física probabilística y no determinista como lo es la física clásica. La mecánica cuántica es una física de las probabilidades. No puede saber con presición que es lo que hará esa partícula después (o antes), y si averiguamos su posición no podemos conocer su momento en el tiempo. Este principio de indeterminismo lo describió Werner Heisenberg y se conoce como "relación de indeterminación"

Algunos observables posibles sobre un sistema físico dado son la energía, posición, momento y momento angular.

A nivel cuántico no pueden asignarse valores definidos a estos observables, sino que se hacen predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad.

Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda.
Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo.

Esta evolución es determinista si sobre el sistema no se realiza ninguna medida. Pero se produce el colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema. El observador afecta el sistema observado. La onda de múltiples posibilidades colapsa, se vuelve una de todas esas posibilidades, se concreta en una partícula de experiencia. Sin observador no hay experiencia.
Resumiendo, a nivel cuántico, la materia puede comportarse como una onda o como una partícula.

Este fenómeno se conoce como dualidad onda-partícula. Y esta es una la de las principales características de la materia a nivel cuántico.
Otras de las características de este nivel microscópico es el llamado entrelazamiento cuántico.
Las propiedades físicas de objetos con un origen común, pueden ser correlacionadas en una amplitud tal que solo pueden ser descritos con precisión si nos referimos a ambos a la vez. Es decir, los objetos entrelazados comparten la información instantáneamente, aunque estén separados por distancias siderales. Lo que le ocurre a uno afecta al otro.

Si consideramos que el universo se inicio por la expansión de un pequeño punto, es lógico pensar que todos los objetos creados a partir de este punto, estén entrelazados, ya que comparten un origen común. También un ser humano es un ejemplo de este modelo universal. Comienza por una célula indiferenciada de la que derivan todas las demás. Esto hace obvio el hecho que nuestras células estén todas conectadas entre sí y a su vez con todo el universo, ya que somos creaciones de ese mismo universo.

La ciencia trata de estudiar y poder explotar el entrelazamiento para el procesamiento de la información y la construcción de nueva tecnología, pero se han dado cuenta de que es muy frágil y que se pierde con facilidad en el mundo macroscópico. Y esta fragilidad pone un límite muy claro a la aplicación práctica del entrelazamiento.

Otra de las características propias de este nivel es la superposición cuántica.

En el mundo cuántico los objetos se encuentran simultáneamente en varios lugares a la vez. Para describir estos objetos, la física recurre a la superposición de estados cuánticos: es una manera de decir que las partículas elementales existen en varios estados superpuestos al mismo tiempo.

El problema surge a la hora de explicar el proceso que reduce esos estados superpuestos al estado concreto que nuestros sentidos perciben en el universo cotidiano. Es evidente que en el nivel macrofísico los objetos se nos presentan en un estado concreto y no superpuesto. De hecho, en el mundo clásico y concreto de la "realidad" conocida, dos objetos no pueden ocupar el mismo espacio.

En 1935, Edward Schrödinger ideó un experimento imaginario para explicar la superposición cuántica y fué conocido como: el gato de Schrödinger.

Pero, ¿porqué no experimentamos la superposición en nuestro mundo cotidiano?.

La respuesta está en la llamada: "decoherencia".

Esta se basa en que los sistemas físicos no están aislados sino que interactúan con otros sistemas físicos, y esta interacción es la que provoca que pierdan los estados de superposición (mientras no interactúe es un sistema coherente, es decir, se encuentra en una indefinida superposición de estados).

De un estado "puro" pasan a un estado "mezclado".

Es esta pérdida de coherencia, esta mezcla, la que permite que un sistema cuántico lo podamos describir por medio de variables clásicas.

Como se ha visto, el observador y el instrumento de medición, ya en sí generan una perturbación y la pérdida de la coherencia en el sistema físico observado.

Pero hay otro factor: el medio ambiente.

La decoherencia es la consecuencia inevitable del enredo incontrolable que tienen todos los sistemas físicos con su ambiente.

El enredo o entrelazamiento quiere decir que la realidad no puede estar localizada en el espacio y en el tiempo. Al estar inevitablemente entrelazados, los estados cuánticos son no-locales y por eso no pueden ser observados ni localizados.

Es a causa de la decoherencia que el mundo "clásico" se vuelve sólido y predecible. De esta forma podemos experimentar la realidad como lo hacemos.