J. L. BORGES, El jardín de los senderos que se bifurcan

EN el mundo de los átomos, donde rigen las leyes de la mecánica cuántica, la "existencia" no tiene el sentido que le damos en nuestra vida cotidiana.

La mecánica cuántica no niega un mundo independiente del sujeto, pero pone especial énfasis en que "aquello" que existe antes de observarse no guarda una relación única con el resultado de esa observación.

A lo más, es factible predecir con precisión los posibles estados de un átomo, pero sólo podemos calcular la probabilidad de cuál de ellos se manifestará en un experimento. Mientras no ocurra esa intervención humana que es la observación, es perfectamente congruente concebir al átomo en todos sus posibles estados simultáneamente.

No todos los científicos, empero, aceptaron una interpretación tan contraria a nuestra experiencia diaria. Albert Einstein se opuso durante toda su vida a esa interpretación, pero nunca logró demostrar su inconsistencia.

El físico austriaco Erwin Schrödinger, uno de los principales fundadores de la mecánica cuántica, también era de la opinión de Einstein, e inventó una famosa paradoja que resalta las contradicciones de la mecánica cuántica.

Imaginemos un experimento que consiste en colocar un gato en una caja cerrada. Dentro de la caja se pone un átomo radiactivo que en algún momento emite radiación, la cual se detecta por medio de algún dispositivo (por ejemplo, un contador Geiger); tan pronto se detecta la emisión radiactiva, un mecanismo especial destapa una botella llena de un gas venenoso que mata al gato. Ahora bien, de acuerdo con la interpretación más aceptada de la mecánica cuántica, el átomo, mientras no se observa, se encuentra simultáneamente en dos estados —átomo sin emitir, átomo y radiación—, y el gato está a la vez vivo y muerto sólo en el momento de observar si la emisión radiactiva tuvo lugar o no en la caja se decide la suerte del felino.

De todas las ideas propuestas para resolver las paradojas del mundo cuántico, como la del gato de Schrödinger, seguramente la más curiosa y atrevida es la llamada "interpretación de los muchos mundos", del físico estadunidense H. Everett. De acuerdo con esta concepción, todas las posibilidades pasadas y futuras del universo "existen". Así como un átomo puede estar en muchos estados simultáneamente antes de observarse, el Universo existe en una multiplicidad de estados. Nosotros, a cada instante, con nuestra observación (¿o nuestra conciencia?), forzamos una de esas innumerables posibilidades a volverse real y descartamos todas las demás como partes de nuestra historia. En unos universos el gato de Schrödinger vive; en otros está muerto.

¿Y dónde están todos los demás universos? Aquí debemos insistir en que conceptos como "existencia" o "lugar" pertenecen a nuestra experiencia común, pero no se aplican tal cual a los fenómenos del extraño mundo cuántico. De todos modos, el asunto pertenece más a la metafísica y no creo que ningún físico crea en la realidad tangible de tales universos paralelos.

Más bien hay que ver esa teoría como una curiosidad, cuyo valor principal radica en que es absolutamente consistente con la física cuántica. Si parece absurda, es por las limitaciones de nuestro lenguaje, que sólo puede describir fenómenos del mundo macroscópico.

LA COMPLEMENTARIEDAD

Reforma, 2 de mayo de 1996

La coexistencia de dos propiedades contradictorias en un mismo ente es un concepto recurrente en muchas doctrinas filosóficas, pero es en el nivel atómico donde adquiere una característica tan fundamental como peculiar.

Una partícula atómica, como un electrón, se comporta a veces como partícula y a veces como onda. Se puede argumentar que los conceptos

"partícula" y "onda" pertenecen a nuestra experiencia diaria y no se aplican a los objetos atómicos; sin embargo, el verdadero misterio consiste en que un electrón se comporta de una u otra forma según si se observa.

El inicio de la historia puede situarse en la elucidación de la naturaleza de la luz. A mediados del siglo pasado, todo parecía indicar que la luz era una

onda electromagnética, al igual que el sonido era una onda del aire. Pero luego surgieron evidencias de que, algunas veces, la luz también se comporta, como partícula. Esta extraña dualidad no es exclusiva de la luz, como demostró Louis de Broglie: todas las partículas del mundo atómico tienen un comportamiento tanto de onda como de partícula.

Una onda es un objeto extendido en el espacio y, por lo tanto, puede pasar simultáneamente por varios lugares; una partícula, en cambio, es un cuerpo compacto que sólo puede estar en un sitio a la vez. A diferencia de las partículas que se amontonan en un mismo lugar, las ondas tienen la importante propiedad de interferir unas con otras. Cuando dos ondas se cruzan, se cancelan mutuamente donde coinciden una cresta y un valle en consecuencia, dos ondas luminosas que llegan a una pantalla desde fuentes distintas producen lo que se conoce como un patrón de interferencia: una sucesión alternada, de zonas brillantes y oscuras (el tamaño de cada zona es de sólo unas micras para la luz visible, por lo que el efecto no es detectable a simple vista).

El hecho de que las partículas atómicas se comportan como ondas se manifiesta justamente en que dos haces de electrones producen un efecto de interferencia entre sí. Ahora bien, el misterio del mundo atómico se puede resumir en un experimento "mental" imaginado por el gran físico Richard Feynman. Supongamos que lanzamos electrones contra una pared con dos agujeros y detrás de ella se coloca una pantalla para detectarlos. Parte de los electrones pasan por uno de los agujeros y parte por el otro y llegan uno por uno a la pantalla, como si fueran partículas; pero según las leyes de la física atómica se juntan sobre ella formando un patrón de interferencia, tal como las ondas.

Niels Bohr.

Supongamos ahora que colocamos un detector en cada agujero para ver por cual de los dos pasa cada electrón antes de llegar a la pantalla. Esto es perfectamente factible, pero el resultado es que, si observamos por donde pasan los electrones... ¡desaparece el patrón de interferencia! Los electrones

se amontonan enfrente de cada agujero como simples partículas, no como ondas. En resumen tenemos el extraño caso de que un ente se manifiesta de una u otra forma según lo que decidamos observar.

La necesidad de una descripción dual de la naturaleza fue reconocida por Niels Bohr, uno de los fundadores de la física atómica, quien la llamó complementariedad. Dos descripciones contradictorias entre sí se complementan para aprehender la realidad. Al observar, influimos en cierta forma en cómo se va a manifestar el fenómeno.

Alguna vez el mismo Bohr sugirió que, para los organismos vivos, la vida y la materia son aspectos complementarios. Después de todo, estudiar un ser vivo implica interferir con su vida, incluso matarlo, lo cual pone de manifiesto sólo uno de sus aspectos.

Más aún, Bohr hizo notar que los procesos mentales requieren cantidades tan pequeñas de energía que los efectos cuánticos deben ocupar un papel importante en el funcionamiento de la mente. Siguiendo su razonamiento, se puede especular que la complementariedad podría resolver la vieja controversia entre vitalismo y mecanicismo. ¿Es la mente algo del todo distinto de la materia, como postuló Descartes, o se puede reducir a procesos materiales? No hay duda de que procesos fisicoquímicos —

generados por drogas, por ejemplo— producen estados mentales bien definidos. Pero la observación de tales procesos en el cerebro, por muy impresionante que sea, bien podría ser semejante a determinar las trayectorias de los electrones.

LA TELEPORTACIÓN

Reforma, 30 de mayo de 1996

Es bien sabido que la nave espacial Enterprise (de la serie Viaje a las estrellas) cuenta con una cabina de teleportación que permite a sus pasajeros desintegrarse y materializarse en algún lugar distante.

Indudablemente es un medio de transporte muy cómodo, pero ¿qué tan factible es de realizarse alguna vez?

Por desgracia, la teleportación se topa con una ley fundamental de la naturaleza: la conservación del número de las partículas que componen la materia. El cuerpo de un ser humano (o vulcano) contiene del orden de unos 10 000 cuatrillones de electrones, protones y neutrones, los que a su vez forman sus átomos. Estas partículas se pueden transformar unas en otras, pero su número total es inmutable.

Lo que se puede transmitir sobre grandes distancias es la radiación electromagnética: luz visible, ondas de radio, microondas, etc. Pero un protón sólo puede transformarse en otro tipo de partícula, de materia, no en radiación. Para, teleportar un cuerpo sólido sería necesario "desarmar"

quintillones de átomos, dispararlos a algún lugar y volverlos a juntar. Los átomos tendrían que cruzar las paredes del Enterprise y todo lo demás que encuentren en su camino, por lo que se dispersarían irremediablemente por el espacio, sin posibilidad de reconstruir ni siquiera una oreja del señor Spock.

Otra posibilidad podría ser transportar la materia sin separar los átomos, por algún "atajo" en el espacio. En este caso se puede recurrir a la teoría de la relatividad general de Einstein, según la cual la gravitación se debe a una curvatura del espacio-tiempo: un cuerpo masivo, como el Sol, deforma ese espacio-tiempo a su alrededor. Curiosamente, la teoría no excluye la posibilidad de que, en una situación extrema, el espacio-tiempo se curve a tal grado que se forme un túnel que desemboque en punto muy lejano del Universo. En ese caso, sería posible entrar al túnel y salir casi inmediatamente en otra parte, sin tener que desintegrarse. Quizás ése el método que utilizan en el Enterprise, pero la generación de un túnel así implica otros problemas que no parecen solubles.

Queda una última posibilidad para la teleportación, en una versión más modesta pero, eso sí, más factible. Se trataría de teleportar no materia sino información, utilizando ciertas peculiaridades de la mecánica cuántica, la física que rige los fenómenos del mundo atómico.

En los años treinta Albert Einstein y dos de sus colaboradores, Boris Podolsky y Nathan Rosen, propusieron una paradoja que pone en evidencia las aparentes contradicciones de la mecánica cuántica. La paradoja EPR

(Einstein, Podolsky y Rosen) considera dos sistemas que interaccionan entre sí por un breve tiempo y luego se separan (por ejemplo, dos partículas atómicas emitidas por una misma fuente). La mecánica cuántica predice que debe existir cierta correlación estadística entre las propiedades de las dos partículas aun después de la separación, en el sentido de que la medición de una afecta a la otra. Pero esto es cierto independientemente de la distancia que separa a las partículas, como hicieron notar los tres científicos, por lo que la medición de las propiedades de una partícula afecta a la otra, incluso si ésta ya se transportó al planeta Marte. Esto parece absurdo, máxime si se toma en cuenta que la interacción instantánea no existe, pues una ley fundamental de la física moderna es que nada puede viajar más rápido que la luz.

Sin embargo, experimentos recientes parecen indicar que sí existen interacciones del tipo EPR en el mundo cuántico, aunque no sirven para transportar información a mayor velocidad que la luz. Es sólo después de hacer las mediciones sobre dos sistemas separados que se encuentra una correlación estadística, y no antes.

Algunos físicos han sugerido utilizar las correlaciones cuánticas para un sistema de comunicación más eficiente. El método consistiría en transportar por medios convencionales una parte de la información (por ejemplo, la mitad de los bytes necesarios para reconstruir una imagen o un texto) y el resto por interacción EPR. De esta forma se podría recuperar toda la información ahorrando canales de comunicación. El proceso no contradice el principio de la velocidad de la luz como límite, porque parte de la información tiene que viajar por algún medio convencional (ondas de radio, impulsos eléctricos, etc.) y es sólo después de recibirla que se puede reconstruir el material original. Quizás se pueda aplicar esa técnica en un futuro que no sea tan lejano como el de Viaje a las estrellas.

EL GATO DE SCHRÖDINGER

Reforma, 27 de junio de 1996

En varias colaboraciones anteriores reseñamos algunas peculiaridades del mundo atómico y, en particular, los experimentos que se han realizado en los últimos años para confirmar las extrañas predicciones de la mecánica cuántica. Los resultados se acumulan con gran velocidad y nos fuerzan a regresar al tema, a raíz de un informe reciente que llegó a merecer una nota en un importante diario de EUA. Se trata de un experimento en el que se logró aislar un átomo y comprobar que puede localizarse simultáneamente en dos lugares distintos, como lo predice la mecánica cuántica, muy en contra de nuestro sentido común. Sería la primera confirmación del don de la ubicuidad en el mundo atómico.

A riesgo de ser repetitivo, volveremos a describir, brevemente, la paradoja del gato de Schrödinger. De acuerdo con la mecánica cuántica, un átomo (o una partícula, como el electrón) puede estar en varios estados simultáneamente; es sólo en el momento de observarlo cuando se manifiesta en un estado único. Erwin Schrödinger, uno de los padres de la mecánica cuántica, imaginó un famoso experimento mental para cuestionar las interpretaciones de la nueva teoría, propuestas por sus colegas.

Supongamos que se encierra un gato en una caja, junto con un detector de radiación que puede accionar un mecanismo para destapar una botella con gas venenoso; se pone en la caja un átomo de alguna sustancia radiactiva para que, en el momento en que se produzca la emisión radiactiva, se desencadene el mecanismo que mata al gato. El meollo del asunto es que, de acuerdo con la interpretación ortodoxa de la mecánica cuántica, mientras nadie observe lo que sucede dentro de la caja, el átomo está simultáneamente en dos estados —emitió y no emitió radiación— y, por lo tanto, el gato está vivo y muerto a la vez; sólo cuando se observa lo que sucedió en la caja se define el destino del felino.

Erwin Schrödinger

En un experimento que realizó recientemente un equipo de la Universidad de Boulder, Colorado, se utilizó un átomo ionizado de berilio en lugar de un gato. El experimento consistió en aislar ese átomo, colocarlo en una trampa electromagnética y por medio de láseres acoplados a las frecuencias del

átomo, influir sobre sus electrones para ponerlo en dos estados distintos simultáneamente, en analogía con el gato vivo y muerto a la vez. El siguiente paso fue separar esos dos estados y comprobar que se ubican en dos lugares distintos. Los detalles técnicos rebasan los límites de esta nota, pero la conclusión a la que llegaron los físicos de Boulder es que el mismo átomo en dos estados distintos se había separado una distancia de 80

millonésimas de milímetro.

Esta separación es demasiado pequeña en nuestra escala común para invocar el milagro de la ubicuidad, pero es una distancia considerable en el nivel atómico porque corresponde a unas 1 000 veces el tamaño común del átomo de berilio. Lo importante, sin embargo, es que el experimento parece confirmar una de las predicciones de la mecánica cuántica que más frontalmente choca con nuestro sentido común.

Las paradojas de la mecánica cuántica, como la del gato de Schrödinger o la interacción instantánea a distancia (que hemos mencionado en notas anteriores) fueron planteadas en los años treinta, cuando apenas se estaba consolidando la nueva visión del mundo. ¿Por qué sólo ahora se han puesto de moda? La respuesta hay que buscarla en los avances tecnológicos.

Durante décadas la mecánica cuántica fue una teoría cuya efectividad nadie negaba, pero cuyos fundamentos estaban envueltos en el misterio. Las paradojas que idearon sus fundadores fueron, en aquellos tiempos, del dominio de los experimentos mentales, pues no se podía estudiar directamente un átomo aislado.

Con la invención del láser en la década de los sesenta y, más recientemente, el perfeccionamiento de las trampas de partículas, los experimentos mentales de los años treinta se volvieron reales. Ahora los físicos tienen los medios para estudiar directamente la extraña realidad del mundo atómico.

Un comentario final para aquellos que planean la investigación científica.

Las técnicas experimentales a las que nos referimos, que tanto prometen y tantas sorpresas nos deparan, requieren una inversión relativamente modesta.

VI. LA MENTE

¿ES EL TIEMPO UNA ILUSIÓN?

Reforma, 19 de enero de 1995

Para nosotros, físicos convencidos, el tiempo no es más que una ilusión, por persistente que sea.

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