Realidad Clásica vs Realidad Cuántica

¿Cómo podemos ver y saber que existe un limón o un electrón? La descripción de la realidad clásica y de la realidad cuántica parte de premisas diferentes y discordantes. 

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Por: Vicente Aboites

¿Cómo podemos ver y saber que existe un limón o un electrón? La descripción de la realidad clásica y de la realidad cuántica parte de premisas diferentes y discordantes.  Durante la última década del siglo pasado, tuve la fortuna de asistir a una conferencia impartida en el Imperial College de Londres por Sir Rudolf Ernst Peierls, padre de la bomba atómica británica, en donde comentó: “Cuando se habla de sillas y mesas entiendo perfectamente el significado de la palabra realidad, pero no entiendo esta palabra cuando se habla de partículas subatómicas como electrones, neutrones o quarks”.

Captar la realidad de un objeto macroscópico como una silla o un limón solo requiere de nuestros sentidos, lo podemos ver, tocar, oler y saborear directamente haciendo uso de nuestros sentidos.  Con total convencimiento diremos: ¡El limón esta allí en el frutero pues allí lo estamos viendo y sabemos que es un limón real y no una ilusión!  Sin embargo, al hablar de partículas subatómicas las cosas son muy diferentes.

Para entender esto podemos simplemente preguntar ¿Qué es exactamente lo que ocurre cuando vemos un limón?  La respuesta es que utilizamos la luz del Sol o de una lámpara para iluminar el limón. La luz que utilizamos para iluminar el limón es una onda electromagnética que en su más minúscula escala está compuesta por quantums energéticos llamados fotones.  Es decir:  El limón es irradiado por una onda electromagnética y parte de esa radiación es reflejada en la superficie del limón.  Esta radiación reflejada en su superficie es detectada por nuestros ojos produciendo una señal en el cerebro que es identificada como un limón.  Esto es lo que ocurre en el caso clásico macroscópico de un limón o de una silla, sin embargo, ver -más bien diremos- detectar una partícula subatómica es mucho más complicado.  Para entender porqué es así podemos primeramente pensar en el siguiente experimento: En una tina con agua podemos producir olas en un lado de la tina y ver como estas olas viajan y se propagan al otro lado de la tina. Podemos ahora introducir un objeto grande en la parte media de la tina y veremos que las olas que viajan en la tina de un lado a otro, al chocar con el objeto introducido, causarán que las olas que chocan con el objeto se reflejen.  Es muy importante subrayar que “objeto grande” significa que el objeto introducido en la tina debe de ser mayor que la distancia que existe entre pico y pico de las olas (a esta distancia se le llama “longitud de onda”). Esta última observación es de enorme importancia pues si introducimos un objeto pequeño a la tina (pequeño comparado con la longitud de onda de las olas), como podría ser por ejemplo un lápiz en posición vertical parcialmente sumergido en el agua, veremos que este pequeño objeto no afecta en nada la propagación de las ondas que viajan de un lado a otro de la tina y estas ondas no se reflejarán en el lápiz. Esencialmente para estas ondas, es como si el lápiz no existiera.

Con la luz de las ondas electromagnéticas ocurre algo muy parecido pues el límite para la detección de un objeto depende de la longitud de onda utilizada y de las dimensiones del objeto. Es decir; la detección de un objeto muy pequeño exige el uso de radiación con longitud de onda también muy pequeña. Por tanto, al llevar este resultado al mundo subatómico veremos que la longitud de onda requerida para observar partículas subatómicas debe de ser del orden de las dimensiones de las mismas partículas subatómicas que se desean detectar. Por otra parte, la energía de un fotón aumenta al disminuir la longitud de onda de la onda electromagnética. Esto último es causa de un enorme problema pues sucede que para detectar una partícula muy pequeña debemos de utilizar fotones de muy corta longitud de onda, es decir, fotones de muy alta energía. Pero al interaccionar este fotón de alta energía con la partícula subatómica el resultado será que la alta energía del fotón inevitablemente causará el cambio de posición de la partícula subatómica.  Por tanto, aunque detectemos el fotón resultado de la interacción con la partícula, nunca podremos con esta información saber en dónde se encuentra la partícula subatómica.

Es importante subrayar la diferencia entre detectar un limón y una partícula subatómica.  Al irradiar un limón con fotones, éstos después de interaccionar con el limón (después de reflejarse en la superficie del limón) nos dirán en donde está localizado el limón.  Sin embargo, al irradiar una partícula subatómica con fotones el resultado de la observación paradójicamente será que ¡no sabremos dónde está o a dónde se fue la partícula subatómica!

Este hecho está íntimamente relacionado con el Principio de incertidumbre de Heisenberg que rige el mundo subatómico, éste afirma que podremos saber dónde está una partícula, pero entonces no sabremos su velocidad, o que, podremos saber la velocidad de la partícula, pero entonces no sabremos donde está. Podemos ahora preguntar: ¿De qué tipo de “realidad” hablamos cuando nos referimos a partículas regidas por este Principio? ¿Qué queremos decir al afirmar que el mundo clásico macroscópico constituido por limones, sillas, planetas, etc., tiene como elementos fundamentales a micropartículas cuánticas sobre las cuales, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, tenemos un conocimiento limitado? De hecho, muchos científicos niegan la existencia de estas micropartículas y prefieren referirse a funciones matemáticas que describen nubes cuánticas de probabilidad, aunque tampoco está clara la relación entre la realidad y una nube cuántica de probabilidad. ¿Cuál es entonces la realidad del mundo cuántico microscópico?  Este es un apasionante e increíblemente interesante problema científico-filosófico que ocupa a muchos investigadores.

Para terminar este divertimento periodístico con una nota de buen humor haré referencia a una anécdota en la que se cuenta que el profesor Werner Heisenberg fue detenido por una patrulla de policía por viajar en su auto a exceso de velocidad.  El oficial de policía le pregunta al Dr. Heisenberg: ¿Sabe usted a qué velocidad venía?  A lo cual el Dr. Heisenberg responde: No lo sé, pero sé exactamente en donde me encuentro.

P.D. Si este chiste no le hace sonreír, significa que usted, amable lector, aún no comprende el principio de incertidumbre.

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