El Tamiz

Empezamos hoy una nueva serie en El Tamiz en la que vamos a zambullirnos en el mundo fascinante de la física cuántica. De manera similar a la serie de Relatividad sin fórmulas, vamos a tratar de hacerlo manteniendo las matemáticas al margen en la medida de lo posible - no porque haya nada de malo en ellas, sino porque en muchas ocasiones los libros de texto recurren a las fórmulas como sustitución de las explicaciones, y nosotros estamos aquí para compensar eso. De ahí el nombre de Cuántica sin fórmulas.

Antes de meternos en faena quiero dedicar esta entrada a establecer unas bases que (espero) te ayuden a asimilar más fácilmente los conceptos de los siguientes artículos. La razón es que, más incluso que en el caso de la relatividad, la cuántica es contraria a nuestra intuición, y para poder empezar a entenderla es necesario ser consciente de ciertos prejuicios e ideas preconcebidas que todos (y me incluyo) tenemos. De modo que, en cierto modo, vas a recibir un pequeño sermón. ¿Preparado?

En primer lugar, y como hice en el comienzo de la serie de Relatividad sin fórmulas, tengo que pedirte que tengas paciencia. Sí, estoy seguro de que quieres recorrer los vericuetos de la cuántica ahora mismo, pero créeme - es muy probable que, si empezamos ahora mismo, no te creyeras nada de lo que voy a contarte, porque muchas de las cosas de las que vamos a hablar son totalmente contrarias a la intuición. De ahí la necesidad de estos párrafos: tengo que prevenirte contra esa intuición y contra el “sentido común”, que son tus peores enemigos al leer esta serie.

El DRAE da las siguientes dos definiciones de “intuición” relevantes a lo que nos ocupa:

• Facultad de comprender las cosas instantáneamente, sin necesidad de razonamiento.
• Percepción íntima e instantánea de una idea o una verdad que aparece como evidente a quien la tiene.

Esta intuición es una herramienta muy útil: es una manera de entender cosas y adaptarse al medio que nos rodea rápidamente, sin necesidad de pensar cuidadosamente sobre las cosas, cuando ese medio y esas cosas son similares a los que entrenaron la intuición que trata de comprenderlos. La manera más fácil de entender lo que quiero decir es poner un ejemplo (sobre todo, uno en el que puedas ver las dos caras de la moneda):

Cuando se explica a muchos escolares que, si te encuentras en el vacío del espacio interestelar, lejos de cualquier cuerpo, y lanzas una pelota hacia delante a 10 km/h, esa pelota seguirá moviéndose para siempre a esa velocidad sin que nadie le dé energía, la mayor parte no se lo creen al principio. Pero, si dejas de empujar un cuerpo, ¿no debería frenar hasta pararse?, dicen.

¿Por qué piensan esto? Porque se lo dice su intuición, que se ha desarrollado en un medio en el que casi todos los cuerpos sufren rozamiento y se paran, salvo que sigas empujándolos. Suelen tardar algún tiempo (en general, no mucho, porque hay algunas situaciones similares en su entorno, como un patinador en el hielo) en desterrar las conclusiones de su intuición y aceptar las de la lógica, pero normalmente lo consiguen.

Lo mismo sucedería si explicases a un hombre primitivo que la Tierra es una esfera que gira alrededor del Sol - para él, sería una idea tan fantástica y absurda que ni siquiera se la tomaría en serio. La rechazaría sin pararse a razonar sobre ella: la rechazaría su intuición.

Sin embargo, el concepto de que un cuerpo sólo se frena si alguien ejerce una fuerza sobre él, o de que la Tierra no es plana, no son enormemente anti-intuitivos, sólo ligeramente: los hay peores. El concepto de que, cuanto más rápido te mueves, más lentamente ven los demás que pasa el tiempo para ti… eso sí que va contra la intuición. Por eso mucha gente, cuando lee sobre relatividad, se rebela a aceptar las conclusiones de la lógica, porque van contra su intuición. Lo mismo ocurre con la cuántica.

Todo este repetitivo discurso tiene que ver, por cierto, con un artículo reciente, el de la Paradoja de Monty Hall, de la que escribí precisamente como “entrenamiento” para esta serie: si tienes que elegir entre las conclusiones de la lógica y las de la intuición, elige la lógica y destierra la intuición. Si no lo haces, algo que era una herramienta útil para las situaciones en las que ha sido entrenada se convierte en un obstáculo para entender las situaciones para las que no ha sido entrenada.

Por si te ayuda, la mayor parte de los físicos que sembraron las semillas de la física cuántica se resistieron a aceptar las conclusiones que se obtenían de sus propios descubrimientos. Sin embargo, fíjate en lo que Born dijo de Max Planck, uno de los reticentes padres de la cuántica:

“Era por naturaleza y por la tradición de su familia conservador, reticente ante las novedades tecnológicas y escéptico frente a las especulaciones. Pero su convicción en el poder imperativo del razonamiento lógico basado en los hechos era tan fuerte que no dudó en expresar una afirmación que contradecía cualquier tradición, porque se había convencido de que no había otra explicación posible”.

Max Planck - lógica antes que intuición.

Lo que le sucedió a Planck no fue único: la mayor parte de los físicos que establecieron las bases de la cuántica se sentirían incómodos al principio con lo “anti-intuitivo” de la teoría. Algunos de ellos, como Albert Einstein, nunca la aceptarían, y tratarían de desmontarla (sin éxito) durante el resto de su vida. Otros aceptaron la precisa explicación que daba la nueva teoría de los fenómenos físicos antes inexplicables.

De manera que esto es lo que te pido para encarar esta serie: que, como Planck, olvides tus ideas preconcebidas sobre lo que es “de sentido común”, que prestes oídos sordos a una intuición que no está preparada para juzgar las situaciones que vas a estudiar, que destierres cualquier herramienta de entendimiento que no sea la fría lógica.

Y, desde luego, el aviso perenne en El Tamiz: si eres un experto en el tema, las simplificaciones que voy a hacer pueden hacerte rechinar los dientes y maldecir mi nombre, pero estoy harto de ver textos farragosos y abstractos sobre el asunto. Desde luego, no es posible transmitir un conocimiento profundo de la cuántica sin utilizar matemáticas complicadas, como los espacios de Hilbert, pero ¿significa eso que sólo un puñado de “elegidos” pueden atisbar de qué va la teoría? Me niego - antes simplista que incomprensible. Si esta serie sirve de algo a alguien que nunca ha entendido ni ápice de la cuántica, bienvenida sea.

Quiero aprovechar también esta entrada para avisarte de que la teoría cuántica me supera - es algo en lo que tengo que pensar mucho y ser muy cuidadoso para no quedarme en las matemáticas y simplemente soltar fórmulas como un loro. De todos modos, también te prevengo contra cualquiera que te diga que entiende perfectamente la física cuántica. En palabras de Niels Bohr,

Cualquiera que piense que puede hablar sobre la teoría cuántica sin marearse ni siquiera ha empezado a entenderla.

En cualquier caso, haré lo posible por transmitir lo que entiendo bien y es posible explicar sin utilizar fórmulas, de modo que tal vez te sirva como un primer paso para leer textos más académicos.

Como dijimos en la serie sobre relatividad, a finales del siglo XIX la sensación general era que el próximo siglo se dedicaría a perfeccionar detalles, limar zonas ásperas y terminar de explicar algunas cosas que no tenían una explicación adecuada con las teorías clásicas (las “intuitivas”). Estos “pequeños flecos” de la física fueron el germen de las dos grandes teorías físicas del siglo XX: la Teoría de la Relatividad de Einstein y la Teoría Cuántica, elaborada por varios físicos y poco a poco, como veremos a lo largo de la serie.

En la serie sobre relatividad ya hablamos acerca de los “flecos” que precedieron a esa teoría. En esta serie vamos a hablar sobre los que conciernen a la teoría cuántica, pequeños detalles que resultaron ser la punta del iceberg: cuando pensábamos que entendíamos cómo funciona el Universo salvo esos pequeños detalles nos dimos cuenta - justo mirando con cuidado esos pequeños detalles - de que sabíamos bastante menos de lo que pensábamos.

Hay varios de esos “flecos” que tienen que ver con la cuántica, pero vamos a centrarnos en los dos más importantes: la radiación de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, por qué no tenían sentido - y cómo el explicarlos desencadenaría una revolución aún mayor que la de la relatividad. En la próxima entrada hablaremos del primero de los dos: la radiación de cuerpo negro.

El texto de Cuántica sin fórmulas - Preludio , por Pedro Gómez-Esteban, salvo donde se mencione explícitamente, está publicado bajo Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.