Gatos con sonrisa y sonrisas sin gato

Hacía mucho tiempo que mi estimado Karibe, el mismo que escribe en la página de karibe’s place, me había recomendado ver la película de Alicia en el país de las maravillas. Y mientras me encontraba viendo esta película, fue inevitable pensar en él y en lo genial que se la debe estar pasando ahora en la Facultad de Ciencias, entre nerds, interesantes libros viejos y mucho anti-religionismo (ahí han de leer la biblia según Spinoza, Newton, Maxwell y Planck, siempre lo he pensado así :D). De ahí nació la idea de lo que leerán a continuación, que es dedicado a mi muy apreciado amigo Arturo, próximo miembro de El Colegio Nacional ;) (¿Oigo por ahí sucesor de García-Colín Scherer?), esperando que le guste. A lo mejor ustedes ya vieron la película Alicia en el país de las maravillas; ó mejor aún, quizá han leído el libro original de Lewis Carroll (♥), que es mucho más fino. En cualquier caso, seguramente saben que en el país de las maravillas las cosas no suceden como mandan el sentido común y las buenas costumbres. Por ejemplo, en el fascinante y extraño mundo de Lewis Carroll (que yo pienso era adepto a la María Juana y al peyote), para quedarte en el mismo lugar tienes que correr lo más rápido posible, que es exactamente lo contrario de lo que ocurre en el mundo cotidiano (según mi realidad, no se la de ustedes). Si van a visitar al “sombrerero loco”, que por cierto quedo así por la prolongada exposición a los vapores de Hg, hagan lo que hagan siempre llegarán a la hora del té :). Y si se pasean por ahí tal vez se topen con un gato sin sonrisa, lo que no tendría nada de raro, pero también se pueden encontrar una sonrisa sin gato, que es como suele aparecerse el famoso gato Cheshire que ayuda a Alicia en sus peripecias.

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…y hablando de gatos, quisiera contarles la historia de un felino que también tiene sus rarezas: el gato de Schrödinger (se pronuncia Schroedinger, para los que no saben). Este personaje no vive en el país de las maravillas, sino en el mundo de la mecánica cuántica :(, rama de la física que estudia el comportamiento de la materia en la escala de los átomos, los electrones, los fotones y otras partículas submicroscópicas; tiene tantas aplicaciones que la vida moderna (con computadoras, LEDs y rayos láser, por ejemplo) no sería posible sin ella. En el mundo cuántico suceden cosas tan extrañas como las que le ocurrieron a Alicia un día, cuando se quedó dormida debajo de un árbol.

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La física en el país de las maravillas: “Hubiera preferido ser empleado en la oficina de patentes de Berna en vez de físico” (:P ¡soy un hijo de mi madre!), escribió Albert Einstein a su amigo y compadre Max Born en los años veinte, al ver el aspecto que estaba tomando la física con el nacimiento de la mecánica cuántica, teoría de la cual tanto Einstein como Born eran creadores. Los físicos habían empezado a hablar de partículas que se comportan como ondas y que no tienen posición definida hasta que uno las observa (debo externar mi odio hacia todos aquellos físicos que parlanchinamente derrumbaron casi todo el edificio de la física, hasta sus sólidos cimentos filosóficos, de lo cual platicaré en alguna otra entrada al blog), de “saltos cuánticos”, en los que una partícula (por ejemplo, un electrón girando alrededor del núcleo de un átomo) podía ir de una posición a otra instantáneamente sin pasar por los puntos intermedios, y de otras rarezas por el estilo, más dignas de los personajes de Lewis Carroll que de los objetos que solían estudiar los físicos.

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La mecánica cuántica (en la interpretación más usual, mas no la única) decía que, mientras nadie lo observara, un objeto gobernado por las leyes cuánticas podía encontrarse en muchos estados al mismo tiempo, aunque éstos fueran incompatibles desde el punto de vista de la física de todos los días, la llamada física clásica. Un electrón, digamos, podía estar en varios lugares al mismo tiempo, o tener dos valores distintos, y opuestos, de la propiedad física de las partículas submicroscópicas conocida como espín. En lenguaje técnico se dice que el objeto se encuentra en una superposición de estados coherentes. Sin embargo, cuando alguien hacía una medición para determinar la posición o el estado de espín de las partículas obtenía un resultado bien definido, por ejemplo: el electrón se encontraba exactamente en tal punto y no en otro. La medición destruía la coherencia, de tal manera que uno nunca podía “cachar” a la partícula en una superposición de estados coherentes (maldito Heisenberg, Einstein intento persuadirlo al decir “Der Herrgott würfelt nicht” (ó Dios no juega los dados), pero al parecer, Herrgott sí juega, y lo hace conforme a la ecuación de Schrödinger…¬¬). Hubo quien dijo que esta selección del estado de la partícula al momento de observarla la efectuaba la mente del observador (malditos idealistas cuánticos, entre ellos el Premio Nóbel de física, Eugene Wigner). Dicho de otro modo, ¡que la psique afectaba el comportamiento de la materia! Peor aún, las partículas, al parecer, tenían voluntad propia. Un electrón lanzado contra una pared con dos rendijas podía decidir por sí solo (sin que mediara ninguna causa) por cuál de las dos rendijas pasar, y si nadie lo observaba pasaba por las dos al mismo tiempo e interfería consigo mismo como si fuera una onda. ¡Qué horror! Ó como dice Palomino: ¡Me zurro!

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Quizá una de las peculiaridades de la mecánica cuántica que más preocupaban a Einstein era que las propiedades físicas de dos partículas que alguna vez estuvieron cerca una de la otra permanecían relacionadas aunque las partículas se separaran. Por ejemplo, aunque las partículas se vayan a extremos opuestos del Universo, cada una de ellas reaccionará instantáneamente a cambios producidos en la otra, como si estuvieran conectadas por una especie de telepatía cuántica que les permitiera intercambiar información a velocidad infinita (en infinitum, dicen por ahí y sin hacer publicidad a nadie) .Este fenómeno, conocido como no localidad, hacia jalarse los cabellos a Herr Einstein, pues contradice su teoría de la relatividad, que dice, entre otras cosas, que nada puede viajar más rápido que la luz, y mucho menos a velocidades infinitas. Un corolario de este fenómeno: entonces se puede aplicar la no localidad a todo el universo, pues de acuerdo con la teoría del Big Bang, o gran explosión, todos los componentes del universo estuvieron unidos en una inimaginable singularidad y descritos, por lo tanto, por una misma función de onda (debralle supremo).
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Einstein no era el único que estaba dispuesto a considerar un cambio drástico de profesión por culpa de la mecánica cuántica. Otro inconforme era Erwin Schrödinger, quien también era uno de sus creadores. En 1935 Schrödinger atacó el problema de la coherencia y para ilustrarlo ideó un “experimento pensado”, conocido como “la paradoja del gato de Schrödinger”. Un experimento pensado es un razonamiento físico escueto que ayuda a aclarar ideas sin necesidad de ponerse en práctica. El experimento pensado del gato de Schrödinger consiste en meter un gato en una caja provista de una muestra de átomos radiactivos, como los de Th que estoy manejando para mi tesis. Los átomos radiactivos tienen núcleos inestables que pierden partículas. Cuando esto ocurre decimos que se ha producido una desintegración radiactiva. La caja tiene, asimismo, un dispositivo que mata al animal si se produce una desintegración en la muestra de átomos. La parte cuántica del aparato gaticida son los átomos radiactivos, los cuales se escogen de tal manera que tengan una probabilidad de 50% de producir una desintegración en el lapso de una hora (esto es para simplificar el argumento y no importa si de veras existen tales átomos; eso es lo bueno de los experimentos pensados). De acuerdo con la mecánica cuántica, al cabo de una hora la muestra radiactiva se encontrará en un estado indefinido que es superposición coherente de los dos estados posibles: (1) se produjo la desintegración; (2) no se produjo la desintegración.
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Quizá no parezca tan extraño que unos átomos (que a fin de cuentas son unas cosas que ni siquiera podemos ver) se encuentren en dos estados a la vez. El problema es que la descripción cuántica se puede extender al gato, cuyos dos estados posibles al cabo de una hora son: (1) el gato está vivo; (2) el gato está muerto. La mecánica cuántica dice que, antes de abrir la caja para comprobar la situación del pobre animal, su estado es una superposición coherente de (1) y (2); es decir, el gato está a la vez vivo y muerto. ¡VIVOMUERTO! :S ¡Qué incómodo y bochornoso!
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El argumento original de Schrödinger estaba encaminado a criticar la llamada interpretación positivista, empirista, operacionalista, ortodoxa, o de la escuela de Copenhague de la mecánica cuántica. Según ésta, la mecánica cuántica es la teoría más completa posible del comportamiento del mundo submicroscópico a pesar de los muchos huecos que los escépticos perciben en su estructura. Por ejemplo, ¿qué determina por cuál rendija pasará el electrón, o en qué momento se producirá una desintegración radiactiva? La mecánica cuántica no es capaz de decirlo. Pero en los últimos años la discusión ha pasado del ámbito especulativo de los experimentos pensados a los experimentos reales. Por supuesto, nadie está pensando en someter gatos de verdad a torturas cuánticas (aunque con gusto lo consideraría si alguien me lo preguntara). Los físicos de hoy llaman gato de Schrödinger a cualquier montaje experimental en que un objeto macroscópico (por ejemplo, un campo electromagnético) esté acoplado a un sistema cuántico (digamos, un átomo que atraviesa la región del campo electromagnético) de tal manera que pueda entrar en una superposición de estados coherentes. Los distintos gatos de Schrödinger que han ideado los físicos sirven para dar respuesta a la pregunta: ¿cómo se pasa del extraño mundo de la física cuántica al mundo cotidiano la física clásica? Es como preguntar ¿cómo se va del país de las maravillas al mundo cotidiano? y, a diferencia de lo que le ocurre a Alicia, en la física no basta despertar de un sueño.
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En diciembre de 1996 un grupo de investigadores franceses construyó un gato de Schrödinger usando un campo electromagnético atrapado en una cavidad resonante (como, digamos, el que se forma dentro de un horno de microondas al recalentar una pizza :D). Haciendo pasar por la cavidad un átomo que se encontraba en una superposición de dos estados de energía, el equipo logró que el campo electromagnético vibrara de dos maneras distintas a la vez, o sea, que entrara en una superposición coherente de dos estados de oscilación. Los investigadores afirman haber podido estudiar cómo se produce la destrucción de la coherencia cuántica. Si sus afirmaciones son ciertas, han atrapado al gato de Schrödinger con las manos en la masa en el preciso instante en que decidía si estar vivo o muerto. Otro equipo de investigadores afirma haber observado un átomo individual en dos posiciones al mismo tiempo. Los dos estados de posición estaban separados 80 nanómetros (0.00000008 metros), una distancia pequeña, si se quiere, pero enorme comparada con el tamaño de los átomos.
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¿Podemos regresar del país de las maravillas? Pero antes otra pregunta: ¿para qué querríamos regresar? El problema es claro: la física tiene que explicar por qué la materia se comporta de manera cuántica unas veces y clásica otras, y en qué circunstancias ocurre cada uno. Hace más de setenta años que algunos físicos no duermen tranquilos debido a esta incómoda dualidad. Algunos objetos se comportan cuánticamente; otros no. ¿Dónde y cómo ocurre la transición cuántico-clásica? Para explicar la destrucción de la coherencia y tender un primer puente entre el comportamiento cuántico y el clásico, W. Zurek, del Laboratorio Nacional Los Álamos, en Estados Unidos, ha propuesto un mecanismo al que llama “decoherencia”. En esta teoría no hace falta una persona para efectuar las mediciones que destruyen la superposición de estados coherentes de un sistema cuántico. Zurek opina que la interacción del sistema con su entorno basta para seleccionar un solo estado entre todos los posibles. Con esta hipótesis, explica por qué los objetos macroscópicos por lo general no se comportan cuánticamente: a temperaturas normales (300 Kelvin) y masas macroscópicas (digamos, de 1 gramo para arriba), la coherencia se pierde en un lapso brevísimo (de menos de segundos). Un gato de verdad no puede estar en una superposición de estados coherentes el tiempo suficiente para que lo notemos. El problema con la teoría de la decoherencia es que, si bien explica por qué los objetos que se comportan clásicamente no pueden entrar en superposiciones coherentes, no proporciona mecanismos de selección que determinen en cuál de todos sus estados posibles queda el objeto después de la interacción con el entorno. El gato de Schrödinger se guarda sus secretos.
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Mientras tanto los físicos han empezado a encontrar aplicaciones para las superposiciones cuánticas. Unas son plausibles, como un gato sin sonrisa; otras descabelladas, como una sonrisa sin gato. Entre las primeras se cuenta la posibilidad de usar la mecánica cuántica para proteger mensajes transmitidos por fibras ópticas. Este método de criptografía cuántica ya se ha puesto a prueba y, al parecer, da resultado. También se está estudiando la manera de usar átomos individuales en superposiciones coherentes para almacenar y manipular información controlando sus propiedades cuánticas por medio de ráfagas de luz láser. Según los proponentes de la nueva disciplina conocida como computación cuántica, esto podría permitir obtener memorias y procesadores de computadora del tamaño de un átomo (sus unidades serian los qubits). Pero la aplicación más digna y fumada del país de las maravillas es la teletransportación cuántica. Al decir de algunos investigadores, la extraña propiedad llamada no localidad podría permitirnos transmitir información instantáneamente a cualquier distancia. Imaginemos las posibilidades: podríamos ir a tomar el té con el sombrerero loco aunque viviera en la galaxia de Andrómeda (a 2 millones de años-luz) y estar de regreso a tiempo para la cena afuera del metro Lindavista ;D.
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Es hora de ponerle punto final a este artículo antes de que nos lleve de regreso al país de las maravillas. Por el momento, la explotación práctica de las propiedades más inquietantes de la mecánica cuántica sigue siendo fantasía, como el sueño de una niña que duerme al pie de un árbol.
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PS: David Y. Díaz Sánchez, Industrias Díaz y Clodeben, S.A. de C.V. no aprueban la experimentación con gatos de a deveras…