Según los autores, este libro es una invitación a navegar por los límites de la realidad y del conocimiento humano, con el objetivo de ampliar nuestros horizontes mentales.
Índice
1. Verdades provisionales.
2. Sobre la resistencia al cambio.
3. Las conferencias Solvay.
4. El efecto Pigmalión.
5 El gato de Schrödinger: se busca vivo y muerto.
6. Las sombras de la realidad.
7. Hasta que la decoherencia nos separe.
8. Interpretaciones de la mecánica cuántica.
9. Tecnología cuántica.
10. El LHC en el CERN.
11. El descubrimiento del Higgs.
12. La partitura del universo.
1. Verdades provisionales
Para entender la nueva visión cosmológica de la física cuántica se puede hacer un viaje al pasado y visitar tres momentos de la historia:
Año 357ac
La Academia de Atenas donde Aristóteles impartía sus lecciones sobre cosmología. La visión de esta cosmología, adoptada por la iglesia católica hasta el siglo XVII consistía en dos mundos que obedecían leyes muy diferentes: el mundo terrestre e imperfecto donde habitaban los hombres con sus debilidades y pasiones, y el de las esferas celestes, que se creía harmonioso y perfecto y que estaba habitado por ángeles y demonios.
Siglo XVII Kepler y Galileo
Kepler desarrolló en su obra El Misterio Cósmico basándose en los sólidos regulares de Pitágoras. Pero para ello las órbitas debían ser circulares. Además Kepler creía en el heliocentrismo de Copérnico. Sin embargo, cuando descubrió analizando los datos astronómicos de Tycho Brahe, que la órbita de Marte era elíptica, tuvo que renunciar a este modelo de órbitas circulares y su fe en el Divino Geómetra. Esta renuncia permitió que desarrollara sus famosas tres leyes.
Las órbitas de los planetas del Sistema Solar fueron descritas por primera vez por la Ley de Gravitación Universal
Para Galileo, era esencial demostrar las teorías científicas mediante experimentos y cálculos precisos. Es lo que se conoce como Método Científico. Galileo escribió: "la naturaleza está descrita en lenguaje matemático". Desde entonces poner a prueba las predicciones teóricas es un signo de buena ciencia.
Isaac Newton (nació el año que murió Galileo)
Isaac Newton puede ser considerado el científico más brillante de la historia. Kepler descubrió que los planetas describen órbitas elípticas en lugar de circulares. Galileo ayudó a desmontar el mito de que los cuerpos celestes eran esferas perfectas observando con su telescopio las irregularidades de la superficie lunar. Y Newton, con su teoría de la gravedad, demostró que la misma fuerza que nos mantiene unidos a la Tierra es la que mueve las estrellas y hacer orbitar la Luna alrededor de la Tierra. I así es como consiguió unificar el Cielo y la Tierra.
Además Newton desarrolló el cálculo diferencial y el cálculo integral y llegó a la conclusión de que la luz blanca se descompone en diferentes colores. Todo esto lo publicó en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Según Newton, la naturaleza no actúa de cualquier manera, es tan previsible como un mecanismo de relojería.
Un Universo Mecánico
En la visión mecanicista del mundo que surgió tras la revolución de Kepler, Copérnico, Galileo y Newton, la razón acabo ganando el pulso a la religión. El término de física clásica se usa para referirnos a los físicos que van de Newton hasta finales del siglo XIX. Para ellos, como Laplace, el universo era muy parecido a un gran mecanismo de relojería. Cuestiones como el libre albedrío o la conciencia quedaban fuera de la física, quedando reservados a la filosofía.
Los cuatro postulados de la ciencia clásica eran:
1. El Universo se comporta como una gran máquina en un espacio y tiempos absolutos.
2. El Universo es determinista. Si conocemos su estado en un momento determinado, podemos predecir su estado futuro y su estado pasado. Todo tiene una causa y un efecto.
3. La energía se explica mediante dos modelos físicos diferentes: o partículas u ondas. Ambos modelos se excluyen mutuamente.
4. La objetividad. Desde el altar del conocimiento, los científicos podían observar la naturaleza y estudiarla. Partían de la certeza de que allí fuera existe una realidad única y objetiva. Es lo que la filosofía llamaba materialismo.
El legado de Newton permitió que los ingenieros crearan las primeras máquinas, y así se inició la revolución industrial que provocó después una revolución social. Comenzaron las migraciones del campo a la ciudad, lo que produjo también una revolución económica.
El mecanicismo se extendió a todas las esferas del conocimiento hasta que todos estos postulados se tambalearon y cayeron con el nacimiento de la física cuántica.
2 Sobre la resistencia al cambio
Según la física clásica hay una realidad ahí fuera, pero, ¿Y si los límites de nuestra propia realidad los marca el ancho de banda de nuestra percepción sobre aquello que nos rodea y los filtros que suponen nuestros prejuicios e interpretaciones?
Buda decía que somos aquello que pensamos, porque nuestra manera de ver el mundo acaba dando forma a nuestra realidad.
La autora pone un ejemplo de un parque que atravesaba para ir al colegio donde había un camino incomodo de piedras algo alejadas entre sí que obligaba a dar pasos grandes. La gente iba caminando por el lado hasta que se creó un sendero alternativo. Un día se encontró que habían convertido el parque en un arenal para renovarlo, con lo que era libre de escoger el camino que quisiera. Cuando los senderos preestablecidos desaparecen, somos libres de escoger nuestro camino porque todos los caminos posibles se abren ante nosotros.
Rutas mentales negativas
Si piensas de una manera y se crea el camino mental, veremos toda la realidad filtrada por este prejuicio. Además ante un estímulo determinado, reaccionaremos siempre igual.
Existe también resistencia a innovar con la excusa de que: "las cosas siempre se han hecho así".
Einstein describía así la necesidad de buscar nuevos caminos:" Nada tiene un signo más claro de demencia que hacer una cosa repetidamente y esperar que los resultados sean diferentes".
Instante de creatividad
Los maestros Zen utilizan los Koan para fomentar la aparición de ideas nuevas. Los Koan consisten en frases absurdas que expresan un problema no resoluble con el pensamiento racional con lo que el pensamiento lógico se bloquea abriendo la puerta al pensamiento lateral y a la intuición. Un ejemplo es:" ¿Cómo suena un aplauso con una mano?".
Crear caminos nuevos
1905 fue el año milagroso de Einstein en que publicó 3 trabajos revolucionarios:
- El efecto fotoeléctrico
- El movimiento browniano
- La Teoría de la Relatividad
Para llegar a estos resultados Einstein aplicó la idea de que: "no podemos resolver los problemas usando el mismo nivel de pensamiento que usamos cuando se plantearon". Su pensamiento lateral con el que llegó a la conclusión de que el tiempo es relativo y su nuevo punto de vista sobre la naturaleza de la luz contribuyó al nacimiento de la física cuántica.
Los sucesos extraordinarios del mundo cuántico (efecto túnel, superposición, entrelazamiento) desmontan nuestras estructuras mentales y dan paso a un estado de confusión que es el umbral que lleva al pensamiento creativo.
Con los siguientes ejemplos la autora ilustra varios mensajes que quiere transmitir y de los cuales los pioneros de la mecánica cuántica eran conscientes:
Ejemplo de los monos y los plátanos
En una jaula con varios monos se colocan unos plátanos en una zona elevada a la que se accede por una escalera. Cada vez que un mono intenta alcanzar los plátanos, se tira agua fría sobre el resto. Con el tiempo, cada vez que un mono intenta subir por la escalera, el resto lo disuaden a golpes. Luego cambian a uno de los monos que al intentar ir a por los plátanos le pegan sin saber por qué. No obstante, cuando se cambia un nuevo mono y este intenta subir a por los plátanos, el mono anterior se suma a los golpes sin saber el motivo. Al final, cambian todos los monos uno por uno. Estos, sin haber recibido nunca una ducha fría, golpean a todo aquel que sube a por plátanos.
La moraleja de esta historia sería:" ¿A cuántos descubrimientos (plátanos) renunciaremos a cambio de seguir cargando con creencias antiguas cuyo origen desconocemos?"
Ejemplo del gato del templo
Durante el oficio de un maestro budista había un gato que molestaba. Por ello se ordenó atar al gato. Posteriormente, el maestro falleció pero se seguía atando al gato. Luego el gato murió también y se buscó otro gato al que ataron en el mismo lugar sin saber el motivo.
Este ejemplo muestra cómo se construye un dogma.
Ejemplo del día de la Marmota
Basado en el argumento de esta película, este ejemplo nos muestra que si nos quedamos atrapados en nuestra rutina, este bucle vital nos llena de apatía. Si queremos que pasen cosas diferentes, tenemos que dejar de hacer siempre lo mismo.
Ejemplo del elefante y la estaca
Un elefante de un circo está atado resignado a una pequeña estaca. Cuando era pequeño y débil intentó soltarse sin conseguirlo hasta que se cansó de intentarlo. Ahora que es poderoso y podría liberarse, ni lo intenta.
Existen barreras psicológicas en nuestra vida cotidiana consecuencia del recuerdo de un fracaso. Que en el pasado no pudiéramos no quiere decir que no podamos en el futuro.
Indefensión adquirida
Aceptamos el dolor y el sufrimiento sin enfrentarnos. No hay que resignarse. La iniciativa y la indefensión pueden aprenderse como muestra el siguiente ejemplo. Ejemplo de los perros.
3 Las conferencias Solvay
Las cosas que nos parecen racionales no son las únicas que podemos entender. Niels Bohr dijo que si la mecánica cuántica no te deja perplejo, es que no la has entendido.
A principios del siglo XX (la primera fue en 1911) tuvieron lugar en Bruselas las Conferencias Solvay, que reunía a los padres de la teoría cuántica. El origen de la mecánica cuántica se remonta al año 1900 en que Max Planck solucionó el enigma de la radiación térmica mediante la cuantización de la energía. Esto solucionó la catástrofe ultravioleta que aparecía al aplicar la teoría clásica a la radiación térmica del cuerpo negro.
La energía solo puede radiarse de manera discreta o discontinua en paquetes o cuantos cuya energía es proporcional a la frecuencia
Según Planck, la energía se radia de forma discontinua en pequeños paquetes o cuantos cuya energía es proporcional a la frecuencia de la radiación, siendo la constante de Planck h la constante de proporcionalidad.
Los constituyentes fundamentales de la materia son los quarks y los electrones. Pero los átomos que forman la materia son prácticamente espacio vacío. Por ejemplo, los quarks y electrones que forman toda la humanidad cabrían en el espacio de un terrón de azúcar.
Las partículas elementales del Modelo Estándar se agrupan en 3 familias. En esta imagen cada familia corresponde a las partículas de las primeras dos columnas de la izquierda, las dos columnas centrales y las dos columnas de la derecha
Si la materia es casi espacio vacío, ¿por qué no atravesamos la silla en la que nos sentamos y nos caemos al suelo? Porque la fuerza electromagnética de repulsión entre los electrones de la silla y nuestros electrones compensa la fuerza gravitatoria de la Tierra sobre nosotros. De hecho levitamos a la distancia de un átomo de la silla.
¿Creemos aquello que vemos o vemos aquello que creemos? Por eso la teoría cuántica nos desconcierta tanto.
En la conferencia Solvay de 1927 se cargaron los 4 principios clásicos y se produjo el famoso debate entre Einstein y Bohr. Einstein dijo:" Dios no juega a los dados" porque le decepcionaba la probabilidad estadística. Bohr respondió:" No digas a Dios lo que debe hacer".
4 El efecto Pigmalión
Este efecto hace referencia a la manera en que el comportamiento de un individuo se ve alterado según las expectativas que los otros tienen de él. Nos comportamos según lo que se espera de nosotros. Si un trabajador siente la confianza plena de sus superiores, tendrá un rendimiento superior al previsible.
En física cuántica sucede lo mismo con una diferencia importante. En psicología sabemos cómo se produce el efecto pigmalión pero en física desconocemos el motivo.
Dualidad Onda-Partícula
A finales del siglo XIX se creía que la luz se propagaba como una onda y que la materia estaba constituida por partículas. En el siglo XX, este enigma renació con la física cuántica. ¿La luz es una onda o un haz de partículas?
En 1801 Thomas Young (1773-1829) realizó el experimento de la doble rendija. Con luz obtuvo un patrón de interferencia con unas zonas de interferencia constructiva y otras de interferencia destructiva. El patrón propio de una onda. Con partículas obtuvo dos bandas de impacto en lugar de múltiples franjas. Por ello concluyó que la luz era una onda.
Patrón de interferencia en el experimento de la doble rendija
Además, también en el siglo XIX Maxwell propuso una teoría elegante del electromagnetismo que demostraba que la radiación electromagnética se propagaba como una onda a la velocidad de la luz. Esto confirmaba que la luz era una onda.
Ecuaciones de Maxwell
Ecuación de onda electromagnética para los campos eléctrico y magnético
Sin embargo, en 1905 Einstein tuvo que suponer que la luz era un haz de partículas (cuantos de luz) para llegar a una explicación satisfactoria del efecto fotoeléctrico.
Entonces, ¿quién tenía razón, Einstein o Young? ¿Onda o partícula? Pues onda y partícula. Pero lo más desconcertante es que si preguntamos a la luz si es una onda (experimento de la doble rendija) nos responderá que sí y mostrará el patrón de interferencia. El observador condiciona aquello que observa. Pero si preguntamos si es una partícula (efecto fotoélectrico) nos contestará que es una partícula. La luz es una onda o un haz de partículas en función del experimento que hagamos, de lo que esperamos de la luz.
En 1924, De Broglie propuso que no solo la luz, que los electrones también pueden ser partículas y ondas a la vez.
5 El gato de Schrödinger: se busca vivo y muerto
Principio de superposición
En el mundo cuántico todas las posibilidades existen a la vez. Si hay dos caminos que una partícula puede recorrer, recorrerá los dos a la vez. Además las partículas pueden estar en dos lugares o estados simultáneamente. Lo que no está prohibido es obligatorio. Pero el principio de superposición funciona hasta que alguien observa el objeto cuántico superpuesto, momento en que se produce el colapso de la superposición en uno de los estados posibles.
Quizás el ejemplo más conocido de la superposición es el del gato de Schrödinger. Se introduce un gato en una caja junto con un dispositivo que deja ir un veneno mortal que se activa con una partícula cuántica. Esta partícula puede ir por dos caminos. Si va por el de la izquierda se activa el dispositivo y se libera el veneno. Si, por el contrario, va por el de la derecha, no se activa el dispositivo y el gato sobrevive. Si no abrimos la caja y observamos, la partícula se encuentra en un estado de superposición en dos lugares diferentes. Por tanto, el gato está vivo y muerto a la vez mientras no abramos la caja.
La superposición parece algo irreal, pero existe una prueba de que se produce realmente a nivel cuántico: el experimento de la doble rendija.
La moneda y el destino
Existe un relato tradicional zen en que ante una batalla, un general japonés decide atacar aunque su ejército es muy inferior en número. De camino a la batalla se paran en un santuario para rezar. El general saca una moneda y le dice a sus hombres que si sale cara ganarán la batalla, y que si sale cruz, la perderán. Sale cara. Los soldados llenos de alegría y confianza ganaron la batalla. Lo que los soldados no sabían era que la moneda era de dos caras.
La conclusión de este relato es que nadie puede cambiar el destino. Si en el mundo cuántico no podemos escoger en cuál de los estados de la superposición colapsará la función de onda (solo conocemos la probabilidad de cada uno de ellos), en nuestro mundo la actitud es más importante que la aptitud, con lo que somos pilotos de nuestro propio destino.
6 Las sombras de la realidad
La versión cuántica del experimento de la doble rendija permite confirmar la superposición de estados de las partículas cuánticas. En esta versión cuántica del experimento se disparan haces de electrones obteniéndose un patrón de interferencia igual al obtenido con ondas. Por si los electrones se interfirieran entre ellos mismos, los lanzamos de uno en uno. Cuando se hubo disparado suficientes electrones, se acabó formando el mismo patrón de interferencia. Y se generó gradualmente a medida que los electrones iban impactando aleatoriamente en la pantalla. El patrón final si que es predecible, pero los impactos puntuales no. Como si fuera una onda, el electrón va por todos los caminos posibles interfiriéndose consigo mismo (superposición de todos los estados posibles mientras hay coherencia cuántica).
Si ponemos un detector para ver cómo el electrón pasa por las dos ranuras, este (todos los átomos y partículas que lo componen) interacciona con el electrón, se pierde la coherencia y también la superposición. La función de onda del electrón colapsa entonces y se obtienen dos franjas verticales (caso clásico) sin poder saber por cuál ranura pasa cada electrón (el componente aleatorio siempre presente):
- Con detector: la elección del electrón de la ranura por la que pasa es impredecible.
- Sin detector: el punto de impacto del electrón es aleatorio. Solo podemos predecir que se creará el patrón de interferencia pero no la sucesión de impactos que lo generarán.
La manera de detectar la superposición en el experimento es el patrón de interferencia. La medida elimina la superposición, porque elimina la coherencia. Quizás podría mantenerla si el aparato de medida fuera cuántico de alguna manera.
Por tanto, la física cuántica es no determinista. Pero esta aleatoriedad no era lo que más incomodaba a Einstein, sino la negación de la realidad física cuando esta no es observada o bien, si esta existe, que no la podamos conocer. Para Einstein una partícula tiene que tener una realidad separada e independiente de las medidas. Pero la interpretación más extendida de la mecánica cuántica sostiene que las propiedades de las partículas fundamentales no están definidas cuando no las observamos.
La mecánica cuántica no es capaz de ofrecer una explicación para este comportamiento de la naturaleza, pero sí predice lo que sucederá (por eso podemos desarrollar la tecnología actual).
Concepciones de la realidad
En el mito de la caverna, Platón nos describe lo que entendemos por realidad como unas sombras de una entidad superior, el mundo de las ideas. Esta imagen metafísica de la realidad está presente en religiones como el cristianismo, que también establece un reino superior que inspira el terrenal a través de Dios y sus profetas.
Con el lema "Cogito, ergo sum", Descartes presentó una novedad importante en el siglo XVII: el simple hecho de poder pensar la realidad es una realidad en ella misma, sin necesidad de un ente externo que la justifique. Este principio dio el pistoletazo de salida a la filosofía moderna.
En el siglo XVIII, Hume profundiza en esta idea y llega a la conclusión de que no hay otra realidad que la que percibimos a través de los sentidos, que son la única fuente válida de conocimiento. Por tanto, tal como postula el positivismo, no podemos estar seguros de la existencia de una silla cuando no la miramos.
También Kant trabajó sobré la misma visión, al vincular la realidad a la experiencia humana, aunque aceptaba la realidad nublada del origen del universo como un aspecto que puede ser pensado pero que no se puede conocer.
En el siglo XX, Einstein inaugura con la teoría de la relatividad un concepto nuevo de la realidad. Algo inmutable hasta entonces como el tiempo, existe y se comporta de manera diferente según el estado del observador.
Para acabar de dinamitar nuestro concepto de realidad, la física cuántica transmuta este concepto por el de posibilidades. No hay una única verdad, sino muchas posibles, que pueden convivir en el espacio y en el tiempo, y que colapsan y se determinan ante la presencia del observador, que a pesar de ello no puede escoger el resultado.
Los positivistas se aferran a hechos y verdades demostrables. Por ello rechazan las visiones de la realidad de los filósofos anteriores a la metodología científica porque intentaban abrazar con su lenguaje unos conceptos que requieren una precisión enorme. Para Heisenberg era absurdo porque era renunciar a demasiado conocimiento. Era una filosofía inútil porque de pocas cosas podemos estar 100% seguros (solo de las matemáticas, la lógica y poco más).
Si la ciencia se hubiera limitado a las verdades evidentes y totalmente demostrables, la física cuántica no existiría, ni el progreso científico.
Hay intuiciones geniales que pueden tardar décadas o siglos en ser demostradas, pero no por ello debemos renunciar a su probable validez e intentar aplicarlas en la vida real.
¿Vemos lo que creemos?
Nuestra percepción, prejuicios, mentalidad, ideas preconcebidas, expectativas, interpretación óptima de la realidad para la supervivencia o la información cerebral "de relleno" interacciona con lo que creemos que es el mundo exterior, alterando lo que acabamos creyendo que pasa fuera de nosotros.
Tenemos que aceptar, por tanto, la realidad de lo diminuto sin los prejuicios de la realidad macroscópica.
7 Hasta que la decoherencia nos separe
Mediante el ejemplo de un casino cuántico, en este capítulo se explican varios de los conceptos y propiedades fundamentales de la mecánica cuántica:
Efecto túnel
Aunque existan barreras de potencial bruscas (como una pared en nuestro mundo macroscópico), la función de onda gobernada orp la ecuación de Schrödinger debe ser continua.
Ecuación de Schrödinger donde H es el operador hamiltoniano
Además, debido al principio de incertidumbre, siempre hay una probabilidad ,aunque ínfima, de que una partícula se encuentra aquí ahora e infinitamente lejos en el instante siguiente. Por ello la función de onda debe comenzar y acabar en el infinito. La barrera de potencial lo que hace es disminuir estas "colas" de la función de onda, minimizando la probabilidad de que la partícula se encuentre tras ella en un instante posterior. Como siempre hay una pequeña probabilidad, cuanto más tiempo pase mayor será la probabilidad de que esto ocurra.
Principio de Incertidumbre
Existen magnitudes complementarias (posición y momento lineal, energía y tiempo, momento angular y ángulo) que no pueden determinarse con una precisión arbitrariamente grande. Si conocemos una de ellas con gran precisión, la incertidumbre en la otra será elevada. Si restringimos una partícula en una zona diminuta, su momento lineal será elevado, vibrando esta energéticamente. Por eso a nivel cuántico las partículas parecen borrosas si están en una posición concreta, porque están en movimiento constante en torno a ese punto medio. Igualmente, si quisiéramos medir la energía entre dos instantes temporales suficientemente próximos, obtendremos valores muy dispares porque la energía oscilará violentamente. Esto es el origen de las fluctuaciones cuánticas o energía de vacío.
Principio de Incertidumbre de Heisenberg
Superposición
El experimento de la doble rendija confirma esta propiedad del mundo cuántico. Una partícula puede estar en varios estados simultáneamente mientras no interaccione con el mundo macroscópico (multitud de partículas), como un aparato de medida. Por eso al medir u observar se elimina la superposición con el colapso de la función de onda en uno de los estados posibles, desapareciendo las propiedades cuánticas. Incluso las propiedades de las partículas (masa, carga, espín) o la identidad de la propia partícula (electrón o neutrino por ejemplo) no están definidas mientras no se midan.
Entrelazamiento
Esta propiedad fue nombrada por primera vez en el artículo de Einstein, Podolsky y Rosen (EPR), en el que se intentaba mostrar que la mecánica cuántica no era correcta al permitir esta transmisiones a velocidades superiores a la de la luz.
Posteriormente se ha demostrado que lo único que se propagan son propiedades de las partículas, no materia ni energía ni información. Cuando dos partículas interactúan pasan a estar regidas por una función de onda conjunta. Por ello, por muy separadas que estén, cualquier modificación en una de ellas afecta a la otra.
Decoherencia
Es la pérdida de propiedades cuánticas cuando pasamos del mundo microscópico al macroscópico o el proceso por el que se produce la transición entre ambos mundos. La interacción con el mundo macroscópico implica la destrucción de la superposición. Evitar la decoherencia es el reto de la computación cuántica: proteger los qbits o estados cuánticos de la decoherencia para poder aprovechar las ventajas potenciales de la superposición.
Partículas virtuales
Las partículas virtuales son aquellas que han tomado prestada del vacío la energía suficiente para ser creadas (E=mc²).
Equivalencia entre masa y energía de la relatividad especial
Como no cumplen con la conservación de la energía, solo pueden existir durante el tiempo en el que no puedan ser detectadas según el principio de incertidumbre. Las interacciones entre partículas reales son mediadas mediante estas partículas virtuales.
Un protón mantiene un electrón en órbita mediante el intercambio de fotones virtuales
8 Interpretaciones de la mecánica cuántica
La observación o medida condiciona el comportamiento cuántico de las partículas:
- Se comportará como una onda o una partícula en función del experimento.
- Antes de la observación, la partícula se encuentra en una superposición de estados. De hecho sus propiedades no están definidas mientras no la observemos.
Todas las interpretaciones de la mecánica cuántica predicen los mismos resultados, pero tienen implicaciones filosóficas diametralmente opuestas.
Interpretación de Copenhaguen
La realidad física no existe antes de la observación, y aparece en el momento en que son observadas. Es entonces cuando se produce el colapso de la función de onda, y de todas las posibilidades o estados superpuestos solo sobrevive una debido a la interacción con el aparato de medida. La realidad física se genera con el colapso de la función de onda.
Universos múltiples
Cuando un observador contempla la superposición, se genera un universo en cada bifurcación o colapso de la función de onda. Cada posibilidad desdoblada sobrevive en un universo diferente que genera realidades infinitas. Pero, ¿Cómo podemos demostrar que existen múltiples universos si no podemos acceder a ellos?
Conocido como la interpretación de los muchos mundos o muchas historias de la mecánica cuántica. En esta interpretación la función de onda se desdobla en historias separadas debido a la decoherencia cuántica y evolucionan en universos diferentes sin interferirse entre ellas.
Se podría hablar de una función de onda del universo entero en la que se representan todos los estados posibles o todos los universos bifurcados. El Universo estaría en superposición de todas sus historias posibles.
Teoría de variables ocultas no locales
Su principal impulsor es David Bohm, discípulo de Einstein. Con esta teoría se evita el azar y se recupera el determinismo. Para Bohm el electrón solo pasa por una de las rendijas, no por las dos a la vez. Los electrones se comportan de manera previsible, pero en el mundo cuántico se ven afectados por una fuerza cuántica que crea la llamada onda piloto que marcan al electrón el camino a seguir. Si abriéramos una tercera ranura, la fuerza cuántica modificaría las ondas piloto y también el recorrido de los electrones.
Decoherencia
La decoherencia marca la frontera entre lo microscópico y lo macroscópico. Evita el colapso de la función de onda en una única realidad observada. No existe realidad antes de que se produzca la decoherencia. Este proceso explica la pérdida de coherencia de los objetos cuánticos al interaccionar con el entorno.
El gran reto de la construcción de ordenadores cuánticos es conseguir que los estados coherentes con propiedades cuánticas como la superposición sobrevivan el tiempo suficiente para realizar algoritmos de computación.
De estas interpretaciones ninguna es más correcta que las otras, depende del sombrero que lleves. Hasta 6 tipos de sombreros (o perspectivas) puedes tener:
- Sombrero blanco: objetividad.
- Sombrero gris: lógica negativa, crítica, juicio y prudencia.
- Sombrero verde: creatividad, ideas nuevas.
- Sombrero rojo: intuiciones, sentimientos, dimensión emocional.
- Sombrero amarillo: optimismo.
- Sombrero azul: Como hemos llegado a estas ideas que tenemos, gestión del pensamiento.
9 Tecnología cuántica
Un centro comercial es un buen lugar para darnos cuentas de como la mecánica cuántica está presente en la tecnología actual.
Las células fotoeléctricas, las alarmas antirrobo y anti-incendio funcionan gracias al efecto fotoeléctrico.
Los reproductores de DVD, los lectores de CD o las impresoras láser funcionan gracias al LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
La electrónica de consumo se ha desarrollado gracias al transistor, inventado en 1947 en los laboratorios Bell. Gracias a este dispositivo semiconductor y a su miniaturización se han podido construir chips que van incluidos en ordenadores, móviles, cámaras digitales, reproductores de mp3, tablets, libros electrónicos etc.
Circuito electrónico con dos transistores
También en medicina está presente la tecnología cuántica, desde el uso del LASER en cirugía hasta el diagnóstico médico mediante resonancia magnética nuclear.
Segunda revolución cuántica
Esto sería la primera revolución cuántica. Afortunadamente, se aproxima una segunda revolución en computación, en telecomunicaciones, en biotecnología o nanomedicina.
Ordenadores cuánticos
La Ley de Moore tiene un límite: cuando los transistores alcancen el tamaño de un átomo. Entonces las leyes cuánticas permitirán el efecto túnel con lo que los electrones saldrán de los cables y líneas de transmisión creando cortocircuitos. Para seguir progresando en computación, serán necesarios los ordenadores cuánticos.
Ordenadores cuánticos
Los ordenadores cuánticos se basan en los qbits, que a diferencia de los bits pueden estar en superposición de dos estados: 0 y 1. Gracias a la capacidad de los qbits de operar en diferentes estados a la vez, podemos realizar operaciones simultáneas superpuestas, como si nuestro ordenador computara en diversos universos a la vez, lo que permite más potencia de cálculo.
Una de las operaciones que se resolvería inmediatamente sería la factorización en números primos, usada en criptografía. Factorizar números pequeños es fácil, pero un número de 100 dígitos para un ordenador actual podría suponer un siglo de cálculos.
Hasta ahora se han conseguido unos 50 qbits. Aun así se necesitan entre 60 y 70 qbits para tener un ordenador cuántico con más capacidad de computación que todos los ordenadores del mundo juntos.
El reto actual de la computación cuántica es impedir la decoherencia de los qbits. Poder preservar los estados cuánticos para operar con propiedades cuánticas de superposición.
Criptografía cuántica
La física cuántica permite la codificación de información totalmente segura (códigos irrompibles). El principio de superposición y el colapso de la función de onda implican la modificación del mensaje (detectable por el receptor) en caso de ser observado o medido. Otra propiedad cuántica usada en criptografía es el entrelazamiento. Entre una pareja de partículas entrelazadas, o pareja EPR, puede realizarse la teleportación de propiedades (siempre que su masa sea la misma). Debido al teorema de no clonación, en la teleportación se destruye el original.
10 Elemental, querido Quark
El primer detector de partículas fue diseñado por Charles Thomson Rees Wilson en 1895 como una cámara de nubes artificiales para detectar partículas alfa. En 1911 le concedieron el premio Nobel junto a Compton.
En el CERN se ha construido el experimento más grande de la historia de la humanidad, el Large Hadron Collider (LHC) o Gran Colisionador de Hadrones. Fundado en 1945, el CERN se fundó para fomentar la investigación fundamental y para frenar la emigración de científicos a EEUU tras la Segunda Guerra Mundial. La primera misión del CERN era promover la investigación, resolver los enigmas de nuestro universo y ampliar las fronteras de la tecnología. Además se buscaba fomentar la colaboración entre científicos de todo el mundo. En el CERN se trabaja para unir naciones mediante la ciencia.
El CERN se fundó con el objetivo principal de reproducir el nacimiento de nuestro universo. El motivo es que en sus inicios este era más simple y la complejidad actual es fruto del paso del tiempo. Según el libro "Los tres primeros minutos del universo", escrito por Steven Weinberg, los primeros instantes del universo podrían resumirse en cinco fotogramas:
1) 0.01 segundos ATB (after the bang) la temperatura desciende hasta 10¹²K. El universo es una sopa de materia y radiación de densidad masa-energía 3800 millones de veces superior a la del agua.
2) 0.11 segundos ATB. La temperatura desciende hasta 3·10¹¹ K.
3) 1.09 segundos ATB. La temperatura es de 1011 K. Los neutrinos y los antineutrinos se desacoplan progresivamente de la radiación. La densidad del universo es de 3.8 por 105; veces mayor que la del agua.
4) 13.82 segundos ATB. La temperatura es de 3·109K. Se comienzan a crear núcleos estables como el del helio.
5) 3 minutos y 2 segundos ATB. La temperatura es de 3·105K. 70 veces la del Sol.
Cronológia del Big Bang
El universo continuó en expansión durante 700.000 años durante el que se crearon galaxias y estrellas.
Expansión del universo tras el Big Bang
Los primeros detectores encontraron partículas nuevas que provenían de los rayos cósmicos de alta energía. En 1940 se construyeron los primeros aceleradores de partículas. En 1960 se conocían hasta 200 partículas diferentes. Murray Gell-Mann puso un poco de orden introduciendo los quarks e incluso es capaz de predecir otras partículas que aún no se habían encontrado.
Los hadrones formados por tres quarks se llaman bariones y los mesones son partículas formadas por un quark y un antiquark
En 1974 se descubre el cuarto quark. En esta época ya se dispone del modelo estándar de partículas que explica toda la materia (formada por 6 quarks y 6 leptones) y las fuerzas (mediadas por bosones) salvo la de la gravedad.
El LHC
Este acelerador de partículas tiene una circunferencia de 27 kilómetros de longitud a 100 metros bajo tierra. Era más barato excavar un túnel que comprar los terrenos en la superficie. Es la máquina más grande jamás construida. Su coste final fue de 3000 millones de euros. A lo largo de esta circunferencia, 9600 imanes aceleran dos haces de protones en dos tubos donde se ha hecho el vacío hasta velocidades cercanas a las de la luz. Cada segundo un trillón de protones dan más de 11.000 vueltas al LHC. Los imanes son superconductores hechos con hilo de titanio y niobio y enfriados a 271 grados bajo cero con 120 toneladas de helio líquido y 10000 toneladas de nitrógeno líquido. Unos imanes mantienen la trayectoria curva de los protones y otros los enfocan juntándolos en el haz. Sin embargo, por mucho que los enfoquemos, para que exista una colisión necesitamos un billón de protones. Como hay un trillón de protones, se producen 600 millones de colisiones por segundo.
Detector ATLAS: Buscando el Higgs
Es uno de los cuatro detectores donde se hacen colisionar los dos haces de protones. En estos choques se encontró el bosón de Higgs en 2012. Este detector tiene 25 metros de diámetro, 46 metros de longitud y pesa 7000 toneladas (como la torre Eiffel). Está constituido por capas de detectores concéntricas que rodean los tubos del acelerador. Es el mayor detector de partículas construido nunca. Los protones están formados por quarks. Pero la equivalencia entre masa y energía de la relatividad especial permite que de la energía resultante de estos choques se creen otras partículas.
El ATLAS es un detector de partículas ubicado en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se utiliza para buscar posibles pruebas relacionadas con el origen de la masa y con la existencia de dimensiones adicionales
La construcción de este gran acelerador ha hecho progresar la tecnología que luego se usa en diagnóstico médico como radioterapia de electrones o protones contra los tumores. Además en el CERN nació el world wide web.
11 El descubrimiento del Higgs
Desde el inicio de las civilizaciones, el ser humano se ha preguntado, ¿De qué está hecho el cosmos? El filósofo griego Empédocles (siglo V ac), tomaba como elementos fundamentales el fuego, el aire, el agua y la tierra. En contraposición, Demócrito planteó la teoría del átomo, el último componente indivisible de la materia.
En 1897 Thomson descubrió el electrón con lo que el átomo no es el último elemento. Posteriormente se descubrió que el núcleo estaba a su vez compuesto de protones y neutrones que a su vez están hechos de quarks. Todo ello está ordenado en el modelo estándar junto con las fuerzas salvo la gravedad.
Pero, ¿Por qué algunas partículas tienen masa y otras no? Aquí aparece en escena el bosón de Higgs.
El secreto es la masa
En los años 60 un grupo de físicos, entre ellos Peter Higgs, postularon la existencia de un mecanismo que proporcionaría masa a las partículas. Igual que existe un campo electromagnético, existe un campo de Higgs. El bosón de Higgs son excitaciones, vibraciones, variaciones o perturbaciones del campo de Higgs. Estas perturbaciones son las que se buscan al hacer chocar protones porque es lo que podemos detectar.
A la izquierda el potencial de Higgs es nulo cuando el campo de Higgs también lo es. Sin embargo a la derecha se rompe esta simetría y el potencial es diferente de cero cuando el campo de Higgs es nulo
En el 2012 en el detector CMS del LHC se detecta una evidencia de cinco sigmas (99.9999% de fiabilidad) del bosón de Higgs de una masa en torno a 125GeV/c2 que decae en dos fotones o en dos parejas de leptones-antileptones. El bosón de Higgs es muy inestable y se desintegra rápidamente en otras partículas.
CMS, Solenoide Compacto de Muones, es uno de los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, en la actualidad el acelerador más potente del mundo
Resultado del CMS para el canal de desintegración de dos fotones. La pequeña prominencia en la curva es el bosón de Higss, a unos 125 GeV (CERN/CMS)
En el detector ATLAS se encontraron evidencias de una partícula de masa alrededor de 125GeV que decae en dos fotones y 4 leptones. Es una nueva partícula compatible con el bosón de Higgs. De todas maneras, aún debe comprobarse si el bosón de Higgs encontrado es el que predice el modelo estándar o si es un bosón de Higgs más exótico.
Montaje del calorímetro del detector ATLAS del LHC. Los ocho imanes toroidales rodean al calorímetro, que mide la energía de las partículas que se producen cuando los protones colisionan en el centro del detector
Es descubrimiento del bosón de Higgs era uno de los objetivos del LHC, pero, por supuesto, hay otros:
¿Cómo se comporta un anti-universo?
Cuando una partícula se crea, también lo hace su antipartícula (en el inicio del universo la energía y la carga totales eran nulas, y ambas magnitudes se conservan). Existe el proyecto ALPHA para crear y mantener antimateria. La antimateria podría utilizarse para destruir tejidos cancerígenos de manera efectiva.
¿Cómo era la sopa primordial del Big Bang?
Con la observación del cosmos solo podemos ver hasta 400000 años después del Big Bang (cuando el universo se hizo transparente a la radiación) con la salvedad de las ondas gravitacionales. Con el LHC se intenta reproducir a pequeña escala esta fase del universo para conocer los secretos del Big Bang. En este inicio los quarks y los gluones no estaban confinados. Eran partículas libres en una sopa densa y caliente. EL detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) del LHC recrea un plasma de quarks y gluones para comprender como pasamos del caos de esta sopa primordial al cosmos de hoy en día.
¿Existen otras dimensiones?
La teoría de supercuerdas necesita 11 dimensiones para ser consistente. En los detectores del CERN se buscan signos de estas dimensiones extra.
Ejemplo de dimensiones extra compactificadas, en este caso en forma de esfera, como se supone en la teoría de supercuerdas
¿Qué es la materia oscura?
El 4% de la materia del universo es ordinaria. Pero, ¿Y el 96% restante necesaria para explicar el ritmo de expansión actual del universo? El 21% sería la materia oscura y el 75% restante, energía oscura. La hipótesis de la materia oscura fue propuesta por primera vez por Fritz Zwicky en 1933. Tanto la materia oscura como la energía oscuras son necesarias para que el modelo cosmológico estándar sea conforme a los datos. En los detectores ATLAS y CMS se espera encontrar la composición de la materia oscura.
La materia visible se insuficiente para explicar el movimiento de las estrellas periféricas de las galaxias y requeriría de un nuevo tipo de materia para ser explicado
12 La partitura del universo
El gran reto de la ciencia antigua y moderna siempre ha sido encontrar una única ecuación que explique aquello que sucede sobre nuestra cabeza, en los cielos (y también dentro). La quimera actual de la ciencia es encontrar una teoría unificada que permita explicarlo todo, desde el comportamiento de una partícula diminuta hasta el movimiento de las estrellas. Pero no sabemos si existe, y en caso afirmativo, si estamos preparados para entenderla.
Las primeras unificaciones se produjeron hace 5 siglos con la unificación del cielo y la tierra (gracias a Copérnico, Kepler, Galileo y Newton) mediante la teoría de gravitación universal. El objetivo es obtener teorías con cada vez menos principios y ecuaciones.
En el siglo XIX Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en el electromagnetismo en sus famosas cuatro ecuaciones.
Ya en el siglo XX Einstein unifico el espacio y el tiempo en la teoría de la Relatividad y posteriormente se unificaron las tres fuerzas en el modelo estándar. Pero la gravedad no encaja en este modelo. La relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles.
Ecuaciones de la Relatividad General
La teoría de cuerdas es una de las candidatas a teoría del todo, pero no hay manera de evaluarla. Por eso los que la critican dicen que no es ciencia, sino filosofía.
Existe una red de conexiones que interrelacionan y fusionan las cinco teorías de cuerdas, la supergravedad en once dimensiones y la Teoría M en un marco unificado. Las diferentes teorías de supercuerdas son en el fondo soluciones particulares de una teoría más profunda llamada teoría M
El LHC podría apoyarla si encontrara partículas supersimétricas o dimensiones espaciales extra
Los bosones y sus posibles compañeras supersimétricas
Los fermiones, las partículas que constituyen la materia, y sus posibles supercompañeras
Opinión personal
Durante el libro, escrito en forma de diálogo entre una investigadora en física y una persona normal con ganas de aprender, se desprende la actitud optimista y entusiasta ante la vida de la autora. Se destaca la importancia del pensamiento creativo y de dejar atrás dogmas, creencias pasadas y no resignarse ante lo establecido. Nos anima a innovar y a hacer las cosas de manera diferente si no queremos obtener siempre los mismos resultados. Se enfatiza el valor de la intuición, del pensamiento lateral y de "abrir nuevos caminos", nuevas formas de pensar. Para ello aprovecha el halo rupturista de la física cuántica para introducir técnicas de pensamiento lateral, para fomentar la innovación y la creatividad.
La autora escribe con sensibilidad y dulzura y sus ejemplos casi siempre implican besos, abrazos y caricias. Esto hace que el libro no sea tan frío como el resto de libros de divulgación científica. Pero por otro lado lo hace más infantil o juvenil, seguramente porque está destinado fundamentalmente a este público.
No obstante, explica de manera amena y riigurosa los conceptos básicos de la mecánica cuántica como la superposición, el entrelazamiento, la decoherencia, incertidumbre y probabilidades, la dualidad onda-corpúsculo y las diferentes interpretaciones filosóficas de la mecánica cuántica.
Para evidenciar el valor práctico de la mecánica cuántica, se comentan aplicaciones prácticas como la electrónica de consumo (gracias al transistor), la computación cuántica, la criptografía, el diagnóstico médico y terapias para el tratamiento de tumores que tienen su fundamento teórico en la mecánica cuántica.
Finalmente, gracias al periodo que la autora paso en el CERN explica muy bien el funcionamiento del Gran Colisionador de Hadrones y sus objetivos, uno de ellos ya alcanzado con el descubrimiento del bosón de Higgs.
