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domingo, 5 de mayo de 2024

Qué hace que la mecánica cuántica y la relatividad general sean incompatibles y por qué los científicos llevan décadas sin lograr resolver esa contradicción

Ilustración que muestra un universo cuántico

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  • Author,Son dos gigantes, muy admiradas, estrellas protagónicas por derecho propio, pero entre sí, se ignoran.

“Cada una de ellas parece escrita como si la otra no existiera”, señala el destacado físico teórico y autor Carlo Rovelli.

Las dos teorías que conformaron la gran revolución científica del siglo XX, la relatividad general de Albert Einstein y la mecánica cuántica, llevan a “dos maneras diferentes de describir el mundo, a primera vista incompatibles”.

“Lo que un profesor de relatividad general explica en clase carece de sentido para su colega que enseña mecánica cuántica en la clase de al lado, y viceversa”, indica en su libro “¿Y si el tiempo no existiera?”.

“Podría verse como una especie de maldición, las dos teorías más bonitas y más potentes que tenemos sobre el universo son inconsistentes entre sí”, le dice a BBC Mundo Alberto Casas, profesor e investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España.

Pero, ¿qué las hace inconciliables y por qué es importante resolver esa contradicción entre la relatividad general y la mecánica cuántica?

“Ahora mismo esta es la pregunta más fundamental de la física teórica, sabemos que en algún momento se tienen que juntar”, indica la física teórica Irene Valenzuela.

Y es que como Rovelli plantea: “El mundo no puede depender de dos teorías incompatibles”.

Empecemos por la relatividad general

“La relatividad general, que explica con precisión la fuerza de la gravedad, transformó radicalmente nuestros conocimientos sobre el espacio y el tiempo”, escribió Rovelli.

Mientras que la mecánica cuántica, que describe el mundo microscópico, “transformó profundamente nuestros conocimientos sobre la materia”.

Ambas son teorías “soberbias, que han tenido un gran éxito”, asegura Casas.

“Son capaces de predecir con una precisión extraordinaria miles, incluso millones, de fenómenos y hasta ahora no se les ha encontrado ni un solo fallo”.

En su “carácter muy diferente” es donde reside su incompatibilidad.

Por una parte, la teoría de la relatividad general es una teoría clásica, eso significa que las cantidades, las magnitudes, que contempla tienen valores bien definidos.

Dos pelotas rojas sobre un tejido 
Dos pelotas rojas sobre un tejido

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A la luz de la relatividad general, los físicos nos invitan a imaginar una gran tela suspendida en el aire, en la que una pelota hace que se hunda: el espacio-tiempo se deforma por ella.

En ella, la gravedad es una propiedad geométrica del espacio-tiempo.

Recordemos, como explica Rovelli en su libro, que con la relatividad especial, Einstein estableció que el espacio y el tiempo “están estrechamente vinculados el uno con el otro y forman un todo indisociable, el espacio-tiempo, lo que significa que si el espacio es sensible a la presencia de las masas y modificado por ellas, el tiempo también lo es”.

De acuerdo con Casas, la idea fundamental de la relatividad general es que la materia y la energía determinan la geometría del espacio-tiempo, es decir, si tienes una gran masa, "eso curva el espacio-tiempo alrededor, cambia la geometría del espacio y del tiempo”.

“La fuerza de la gravedad es simplemente que los objetos cuando pasan cerca de una gran masa perciben un espacio-tiempo curvado y eso hace que sus trayectorias se curven”.

¿Y qué ocurre en la mecánica cuántica?

La mecánica cuántica estudia las partículas y los sistemas atómicos y subatómicos.

Si en la teoría de la relatividad general los valores están bien definidos, en la mecánica cuántica ocurre algo singular.

“Es una teoría muy extraña en la cual las cantidades físicas pueden no tener valores bien definidos”, explica Casas.

Un átomo 
Un átomo

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La mecánica cuántica estudia los sistemas atómicos y subatómicos. 

Y es que las leyes probabilísticas rigen el mundo a escala microscópica.

Por ejemplo, una partícula puede estar en una superposición de estados: en un estado se encuentra en una posición y en otro estado, en una posición distinta, es decir, de alguna forma la partícula está en dos posiciones a la vez.

“Aunque parezca increíble, es así”, dice Casas.

Y aquí viene la incompatibilidad: “una partícula que está en dos posiciones a la vez, deforma el espacio-tiempo a su alrededor en dos posiciones distintas y al mismo tiempo”.

Es decir, conduce a una superposición de geometrías del espacio-tiempo.

“La geometría, entonces, ya no estaría bien definida, debido a que las propias partículas que la producen están en un estado indefinido, en un estado que no tiene una posición concreta”.

Y eso contradice la teoría de la relatividad, la cual está formulada de tal manera que el espacio-tiempo “es algo perfectamente definido, no está en superposiciones de estados”.

La inescapable gravedad

En el corazón de la inconsistencia entre ambas teorías está lo difícil que resulta unir la gravedad y la mecánica cuántica.

Mikael Rodríguez Chala, autor e investigador de física de partículas de la Universidad de Granada, nos recuerda que la base de la mecánica cuántica es el principio de incertidumbre.

Albert Einstein 

Albert Einstein

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Con la relatividad general, Einstein reformuló el concepto de la gravedad y estableció que en presencia de una masa, el espacio-tiempo se deforma.

Eso quiere decir que “cuánto más pequeño es el sistema físico que se quiere explorar, más energía se necesita para ello".

"En presencia de la gravedad, esto supone un problema, puesto que mucha energía en una región muy pequeña del espacio genera un agujero negro”, señala Rodríguez Chala a BBC Mundo.

“Esto parecería indicar que, a energías muy, muy altas, la gravedad, y por tanto los conceptos de espacio y tiempo (la gravedad según Einstein es la deformación del espacio-tiempo) son muy distintos de lo que creemos a día de hoy”.

Abordar la relatividad de manera clásica y las partículas de manera cuántica no es una opción, explica Casas, “porque las partículas pueden estar en superposiciones de estados y como las partículas determinan la geometría del espacio-tiempo, también nos van a dar superposiciones de geometrías”.

El problema sigue.
Y es que, como apunta Valenzuela, “la gravedad interacciona con todo, no hay manera de escaparse de ella”.

“Todo lo que tenga energía interacciona con la gravedad”, le dice a BBC Mundo.

La teoría cuántica de campos

Por décadas, los físicos han intentado conciliar la gravedad con la mecánica cuántica.

Dos partículas entrelazadas

Dos partículas entrelazadas

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La mecánica cuántica no le asigna valores definidos a los fenómenos, sino que hace predicciones probabilísticas. En los años 50, se logró combinar la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad especial, a través de lo que se conoce como la teoría cuántica de campos.

En ese marco teórico se describen las fuerzas de la naturaleza responsables de los fenómenos que ocurren en el universo: la electromagnética, la nuclear fuerte, la nuclear débil. Pero hay una gran excepción: la gravedad.

Y es que ahí es dónde surge el problema: cuando se intenta unificar la gravedad con la mecánica cuántica.

“Absurdo”

El profesor Casas explica que “si se trata la teoría de la relatividad general como una teoría cuántica de campos, así, de una manera ingenua, daría resultados infinitos. Por ejemplo, calculas una probabilidad y sale un resultado infinito, lo cual es absurdo”.

“Son teorías que son inconsistentes matemáticamente”.

Ilustración que muestra cómo la gravedad de la Tierra curva el espacio a su alrededor 

Ilustración que muestra cómo la gravedad de la Tierra curva el espacio a su alrededor

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Ilustración que muestra la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo.

No olvidemos que la mecánica cuántica lo que hace es calcular probabilidades de fenómenos.

Por ejemplo, señala Rodríguez, la mecánica cuántica nos dice que cuando colisionan dos partículas pueden pasar “un montón de cosas distintas y cada una de ellas ocurre con probabilidades distintas, es un proceso eminentemente aleatorio”.

Según Casas, hacer una teoría cuántica de la gravedad implicaría que, así como las partículas pueden estar en superposiciones de estados, a la geometría del espacio-tiempo también se le permitiría estar en superposiciones de estados, tener valores no definidos.

Pero el experto nos vuelve a recordar que en la relatividad general las magnitudes físicas tienen valores muy bien determinados.

“La teoría de la relatividad de Einstein es muy rígida. Dice: ‘tienes esta materia, esta curvatura, este espacio-tiempo’. Pero la mecánica cuántica dice: ‘no, la materia podría estar en una superposición de estados’”.

En la relatividad general, si tienes una masa como la Tierra, la Tierra curva el espacio-tiempo a su alrededor y lo curva de una manera muy definida, muy concreta.

En cambio -continúa el académico- en una teoría cuántica, el estado de la Tierra puede estar en una superposición de posiciones, de energías, o de otras magnitudes físicas y eso hace que la propia geometría del espacio-tiempo no tenga un valor bien definido.

Einstein no lo intentó

Pero qué pasa si intentamos cuantizar la gravedad, es decir, hacerla consistente con la mecánica cuántica.

Surge un problema: el propio espacio-tiempo es una cantidad dinámica que también hay que cuantizar, “no nos sirve como marco estable para hacer cálculos porque cuando queremos calcular una colisión de partículas, esas partículas modifican el espacio-tiempo”, dice Casas.

Ilustración de un agujero negro en un fondo amarillo 

Ilustración de un agujero negro en un fondo amarillo

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Conciliar la relatividad general con la mecánica cuántica puede ayudarnos a entender varios aspectos del universo, como lo que ocurre dentro de los agujeros negros.

“Es como si quisiéramos construir un edificio sobre arenas movedizas”: apenas comenzamos, todo se empieza a mover, es decir, se producen inconsistencias lógicas que hacen extremadamente difícil continuar.

“Por eso se cree que para cuantizar la gravedad hay que dar un salto conceptual, reinterpretar de alguna manera el espacio-tiempo para poder crear una teoría consistente”.

De hecho, Einstein no intentó cuantizar la gravedad.

“Einstein quería hacer una teoría que unificara la gravedad con las otras fuerzas, la llamaba teoría del campo unificado, pero la enfocaba desde un punto de vista clásico”.

“Y no tuvo éxito, fue una de las pocas batallas científicas que no ganó”.
 
En el horizonte

En el horizonte de los físicos hay una posibilidad: que algún día se llegue a una sola teoría que explique todos los fenómenos de la naturaleza, un modelo que unifique las interacciones físicas fundamentales. Ese ideal tiene un nombre: la teoría del todo.

Existen varias teorías o familias de teorías que buscan conciliar la relatividad general y la mecánica cuántica.

Rovelli, por ejemplo, fue uno de los fundadores de la teoría de la gravedad cuántica de bucles o teoría de los bucles, la cual plantea una estructura fina y granular del espacio. Es como una red de bucles cuantizados de campos gravitacionales.

Múltiples hilos

Múltiples hilos

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La teoría de cuerdas plantea que las partículas subatómicas no son fenómenos puntuales, sino que son pequeñas cuerdas que experimentan estados de vibración.

También se cuenta con la teoría de cuerdas, que parte del supuesto de que las partículas subatómicas son pequeñas cuerdecillas que pueden estirarse y tener estados de vibración distintos, lo cual les permite tener propiedades diferentes.

Para muchos expertos, se trata de una candidata fuerte para llegar a la tan anhelada reconciliación.

“Su gran problema es que no ha conseguido dar una predicción que sea medible con los aparatos que tenemos”, indica Casas en referencia a los aceleradores de partículas inmensos, “inimaginables”, que se necesitarían.

Valenzuela, quien trabaja en el CERN, es una de las investigadoras de esa teoría.

50 años para entender la gravedad es nada”, dice con una sonrisa, y nos pone como ejemplo el bosón de Higgs, que siendo un fenómeno más sencillo comparado con la gravedad cuántica, fue descubierto con el Gran Colisionador de Hadrones 50 años después de que se predijera.

“No tenemos experimentos directos que detecten el efecto de la gravedad cuántica, pues necesitamos mejorar la tecnología por muchísimos más órdenes de magnitud de lo que hizo falta con el Higgs”, indica la física.

Pero al no tener experimentos directos que ofrezcan información, Valenzuela y sus colegas buscan predicciones indirectas: “hay que hacerlo de manera teórica, buscar que sean consistentes matemáticamente y ver qué implicaciones pueden tener”.

“Ejemplo supremo”

Aunque para Casas la inconsistencia entre la relatividad general y la física cuántica pudiese verse “como una especie de maldición”, en realidad es "una gran motivación".

“Y una ventaja porque esa inconsistencia nos dice que hay muchas cosas que todavía no entendemos y, a la vez, nos da pistas sobre cómo resolverlas. Eso ha pasado muchas veces en la historia”.

“Posiblemente, cuando se unifique la gravedad con la mecánica cuántica sea el ejemplo supremo de eso”.

Mientras tanto, lograr esa conciliación seguirá siendo el problema central de la física teórica.

“Si quieres seguir entendiendo cómo funciona el universo, qué pasa dentro de los agujeros negros, descubrir qué sucedió al inicio del universo, necesitas la gravedad cuántica”, señala Valenzuela.

Para todas las interrogantes fundamentales de la física, hay que unir en el mismo escenario a estas dos estrellas resplandecientes, aunque a primera vista no quieran.

domingo, 10 de enero de 2021

_- Física cuántica: qué es la dualidad partícula-onda de la luz y cómo su descubrimiento revolucionó la ciencia

_- Albert Einstein puede ser famoso por su teoría de la relatividad general, pero no fue esta la que le dio el único Premio Nobel de su carrera.

El físico obtuvo el galardón por un descubrimiento que hizo cuando tenía tan solo 26 años.

Se trata de la ley del efecto fotoeléctrico que publicó en 1905 y que planteaba que la luz tenía una propiedad tan contraintuitiva que llevaría a cuestionar la propia noción de la realidad.

No en vano terminó dando origen a la física o mecánica cuántica, una rama que estudia la naturaleza a escala atómica y subatómica, o sea, el mundo de lo ultrapequeño y sus leyes, que son muy distintas a aquellas que gobiernan al mundo que podemos ver.

"La mecánica cuántica marcó una ruptura entre la física clásica y la moderna", explica a BBC Mundo la física colombiana Nelly Yolanda Céspedes Guevara.

"Fue toda una revolución", agregó la también doctora en educación y docente de la Fundación Universitaria del Área Andina, de Colombia.

Para ello, Einstein hizo lo que mejor sabía hacer: romper con ideas largamente establecidas y aceptadas.

"No podemos solucionar nuestros problemas con las mismas líneas de pensamiento que usamos cuando los creamos", dijo el físico alguna vez.

La ley del efecto fotoeléctrico no fue la excepción.

¿Partícula u onda?
En la física, las ondas y las partículas son tan distintas que cada una obedece a sus propias reglas matemáticas.

Einstein ganó el Nobel de Física en 1921 por la ley del efecto fotoeléctrico, que descubrió con 26 años.
"La partícula es todo aquello que tú puedes cuantificar y que en teoría puedes agarrar o tocar", dice Céspedes.

Imagínalo como una piedra: la puedes tomar con tu mano, lanzar contra una pared y, luego de verla rebotar, incluso puedes señalar el lugar preciso donde cayó.

En cambio, explica la física, "la onda es capaz de atravesar de un lugar a otro y no la puedes coger".

Sería como tirar la piedra en un cubo con agua y tratar de agarrar las pequeñas olas que se generan: pasarán por los costados de tu mano, por arriba y entre tus dedos, pero no podrás atraparlas.

Tampoco serás capaz de decir exactamente dónde están esas olas, más que haciendo un gesto aproximado que englobe toda la onda expansiva provocada por la piedra.

Hasta la llegada del siglo XX, el consenso científico indicaba que, por ejemplo, la luz era una onda y el electrón, una partícula.

Pero todo estaba a punto de cambiar.
Según la ley del efecto fotoeléctrico de Einstein, la luz podría generar electricidad solo si, bajo determinadas circunstancias, se comportaba como una suerte de partícula.

En otras palabras, planteó que "la luz no podía ser solo una onda", explica Céspedes.

Para llegar a esa conclusión, agrega, Einstein se basó en ideas previas de físicos como el alemán Max Planck.

El "revolucionario renuente"
En el año 1900, Planck ya había descubierto que había un problema con la luz como onda.

Lejos de ser un flujo constante, afirmó, la luz viajaba en "paquetes" de una gran "cuantía" de energía, concepto de donde luego derivaría el nombre de física cuántica.

Planck fue galardonado en 1918 con el Nobel "en reconocimiento de los servicios que prestó al avance de la física por su descubrimiento de los cuantos de energía".

"El concepto de Planck de cuantos energéticos", explica la Enciclopedia Británica, "entraba en conflicto con toda la esencia de la física teórica pasada".

Y si bien sus investigaciones no le dejaban otra opción más que derribar el conocimiento previo establecido y hasta ganó un Nobel por "descubrir la energía cuanta", Planck fue un "revolucionario renuente", afirma la enciclopedia.

Tal es así que distintos historiadores de la ciencia como el famoso Thomas Kuhn se han negado a darle el título de padre de la física cuántica.

Según argumentan, a partir de sus trabajos, Planck podría haber inferido que la luz se comportaba como una partícula, sin embargo, no lo vio o no se atrevió a afirmarlo y provocar un cambio de paradigma.
Para eso tendría que llegar Einstein.

Ni una cosa ni la otra
En 1905, Einstein había argumentado que, a veces, la luz parecía consistir en "cuantos" (lo que hoy son los fotones) y, cuatro años más tarde, introdujo la dualidad onda-partícula en la física.

Es decir que la luz no era una onda o una partícula: era ambas cosas. Einstein estaba pensando lo impensable.

"La hipótesis de Einstein de los cuantos de luz no fue tomada en serio por los físicos adeptos a las matemáticas durante poco más de 15 años", escribió el historiador de la ciencia Bruce R. Wheaton.

"Incluso (el físico estadounidense) R. A. Millikan, quien en 1914-16 proporcionó la primera evidencia inequívoca de la sorprendente ley de emisión fotoeléctrica de Einstein, siguió también inequívocamente desdeñando la hipótesis de la partícula de luz de la cual se había derivado esa ley", agregó.

Es más: Millikan, quien fue discípulo de Planck, terminaría ganando un Nobel "por su trabajo en la carga elemental de la electricidad y en el efecto fotoeléctrico".

Para desdén de muchos de estos físicos, la dualidad onda-partícula no se quedó en la luz, sino que se amplió a la materia a escala atómica.

La física moderna
En 1924, el físico francés Louis de Broglie propuso una osada analogía: si la luz, que se creía que era una onda, tenía comportamiento de partícula bajo ciertas condiciones, entonces partículas como el electrón también cumplían con esa dualidad.

"Cuando De Broglie propuso esta idea, no había evidencia experimental alguna" que la respaldara, explica la Enciclopedia Británica.

"La sugerencia de De Broglie, su principal contribución a la física, constituyó un triunfo de la intuición", agrega.

Es que, tres años después, la naturaleza ondulatoria de los electrones era demostrada empíricamente por el físico británico George Paget Thomson.

Lo increíble es que así como Thomson obtuvo el Premio Nobel por demostrar que los electrones son ondas, su padre, Joseph John Thomson, lo había ganado décadas antes por probar que los electrones son partículas.

Y sí, De Broglie también recibió el Nobel.
"La idea de Louis de Broglie, que condujo a la formulación más completa del dualismo onda-partícula fue el último acto en una serie de intentos preliminares por parte de los físicos para resolver las paradojas que habían surgido en las teorías de la radiación", escribió Wheaton.

En esa búsqueda, dieron la estocada final al determinismo en la física y provocaron una revolución en el conocimiento que incluso trascendió a la ciencia.

En palabras de Wheaton: "La teoría de partículas de luz de Einstein ha demostrado ser un componente fundamental de la física moderna, quizás la característica que más la distingue de la física newtoniana de los 300 años anteriores".