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1. ESTABILIDAD DEL UNIVERSO

Los átomos son como sistemas solares. Los planetas se mueven en órbitas alrededor del Sol porque son atraídos por su fuerza de gravedad. De forma similar, los electrones son atraídos por las fuerzas eléctricas de los núcleos atómicos. Es la llamada ley de Coulomb. Pero resulta que en el caso de los electrones sus órbitas no son estables si únicamente consideramos las fuerzas coulombianas. De acuerdo con las leyes de la Física Clásica, los electrones en su movimiento circular o elíptico alrededor del núcleo deberían emitir energía electromagnética, situación que haría que los electrones perdieran energía cinética de modo que al no poder compensar la atracción electrostática del núcleo terminarían en “los brazos” del núcleo. Esto nos lleva a la conclusión de que los átomos clásicos colapsarían y lo mismo haría todo lo que vemos a nuestro alrededor.

Es decir, si el mundo estuviera regido únicamente por leyes clásicas, no existiría la materia y por consiguiente tampoco la vida. Nosotros no podríamos existir. Sin embargo, sabemos, y vemos cada día, que los átomos son estables. La explicación es sencilla: la existencia de leyes cuánticas que son muy diferentes de las clásicas.

Las leyes cuánticas dictan que los electrones en los átomos únicamente pueden tener ciertas energías que están discretizadas. Esto es, entre las diferentes órbitas electrónicas no hay nada. Esta es la razón por la que los electrones no se precipitan sobre el núcleo.

 

2. NUESTRO MUNDO ESTÁ FORMADO POR PARTÍCULAS Y ONDAS

Una de las propiedades más curiosas y extrañas del mundo cuántico es que las partículas pequeñas como los electrones, protones, neutrones e incluso los átomos, no son enteramente partículas sino que se comportan a la vez como partículas y ondas. Esta propiedad es realmente espectacular, pues a primera vista unas y otras no tienen nada en común. Por ejemplo, cuando pensamos en electrones nos los imaginamos como los portadores de la corriente eléctrica y cuando oímos la radio, vemos la televisión y hablamos con los teléfonos móviles, no tenemos dudas de que se trata de ondas.

Así pues, la primera pregunta que nos puede surgir es, ¿cómo las partículas pueden ser ondas y cómo las ondas pueden comportarse como partículas? ¿Por qué los científicos tuvimos que recurrir a esta curiosa dualidad? Albert Einstein fue el primero en usar esta dualidad al explicar el llamado efecto fotoeléctrico: la radiación ultravioleta, la luz y los rayos infrarrojos arrancan electrones al incidir sobre los átomos. Desde el punto de vista clásico, no había explicación posible, pues la longitud de onda de la luz, por ejemplo, es diez mil veces mayor que un átomo. La longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas de la onda.

Un fenómeno que quizás todos hayamos visto: cuando las ondas marítimas -en lenguaje cotidiano conocidas como «olas»- poseen una longitud de onda muy larga, el oleaje no arrastra los objetos pequeños hasta la orilla, sino que estos permanecen en el mismo lugar, subiendo y bajando a medida que van pasando las olas. Incluso en un caso extremo como el de los tsunamis, un barco que se encontrase en pleno mar subiría y bajaría tan lentamente que los marineros de abordo apenas advertirían el movimiento.

Así pues, la pregunta clave en el caso del efecto fotoeléctrico es ¿cómo podemos explicar qué ondas electromagnéticas con una longitud de onda muchísimo más grande que el tamaño de un átomo puedan lanzar sus electrones fuera del átomo? En 1905, Albert Einstein sugirió que las ondas electromagnéticas eran también partículas. Las bautizó con el nombre de fotones. Einstein explicó el efecto fotoeléctrico como el choque de esas partículas de luz -los fotones- con los electrones que son partículas de materia. Einstein recibió el premio Nobel de Física por esta explicación.

 

El efecto fotoeléctrico posee un amplísimo espectro de aplicaciones tecnológicas. Una de las más simple –y cotidianas– es la que permite a las puertas de los ascensores abrirse y cerrarse automáticamente. Entre los dos batientes, hay un rayo de luz invisible que los mantiene unidos. Al poner la mano en la trayectoria de ese rayo, evitamos que la luz llegue a la célula fotoeléctrica, de modo que los dos batientes se separan. Es decir, al no cerrarse el circuito eléctrico, la puerta se abre.

Otra de las aplicaciones del efecto fotoeléctrico, quizá la más importante, es la que vemos en las placas solares que convierten la luz en corriente eléctrica. Son las famosas placas fotovoltaicas que tanto nos ayudan ya –y nos ayudarán, todavía más, en el futuro– a reducir nuestra dependencia de la quema de combustibles fósiles para generar electricidad.

Lo más asombroso de todo el mundo cuántico reside en el hecho de que la dualidad onda-corpúsculo es válida tanto para las ondas electromagnéticas como para los objetos materiles como es el caso de los electrones: los electrones muestran propiedades ondulatorias.

Un ejemplo, el fenómeno de la difracción de la luz también se observa con electrones. Hagamos el siguiente experimento en la playa: pongamos un dique justo en el punto donde rompen las olas de manera que este evite el paso del agua. Si agujereamos esta barrera por dos puntos, veríamos que en la playa hay ahora unas zonas mojadas y otras secas.

Hagamos ahora un experimento semejante. Se trata de coger una pistola que lanza electrones y disparar sobre una pantalla fluorescente sensible. En medio, colocamos una barrera también con dos orificios. ¿Qué encontraríamos? El resultado depende de la velocidad de los electrones. De hecho, a veces, dependiendo de la velocidad de los electrones se observa el mismo resultado que con las olas del mar. Este resultado nos indica claramente un comportamiento ondulatorio. En efecto, si los electrones se comportan como ondas su longitud de onda es inversamente proporcional a su velocidad. Por eso, los electrones más lentos poseen una longitud de onda mayor y cuando su valor es parecido al tamaño de los agujeros veremos en la pantalla el típico espectro de luces y sombras que corresponden a los máximos y mínimos de la cantidad de arena mojada en la playa. Este hecho ha sido millones de veces verificado en experimentos cuánticos. No hay ninguna duda de que los electrones se comportan como ondas.

 

 

Otro ejemplo. La resolución espacial de todos los dispositivos ópticos –el caso del microscopio óptico por ejemplo –depende de la longitud de onda de la luz. Es por ello que con los microscopios ópticos no podemos ver objetos menores que el micrómetro, Pero dado que los electrones también son ondas –que podemos manipular acelerándolos o frenándolos–, podemos usar el llamado microscopio electrónico que acelera electrones hasta que posean longitudes de onda del tamaño incluso del nanómetro (mil veces más pequeño que el micrómetro) para ver los virus e incluso los átomos. Pero es que si todavía los aceleráramos más, incluso veríamos a los núcleos con sus protones y neutrones. Se podría decir eso de «acelerar para ver»

Entonces, si las partículas pequeñas son ondas, ¿qué pasa con los objetos más grandes? ¿Podríamos nosotros comportarnos también como ondas? La respuesta es que sí somos ondas, lo que ocurre es que nuestra longitud de onda es tan pequeña que no es comparable a ninguno de los objetos que existen en el universo. En otras palabras, no podremos verificar nunca la difracción de las ondas asociadas a los humanos. En términos más «físicos», deberíamos decir que todo lo comentado está relacionado con el valor de la constante de Planck. Cuando el valor de esta constante es muy pequeño, la dualidad onda-corpúsculo queda relegada al mundo atómico. En algún otro universo, podría darse el caso de que la constante de Planck tuviera un valor mucho mayor, en este caso, los objetos grandes sí podrían comportarse como ondas. ¡Otro incentivo para buscar nuevos Universos! ¿Se imaginan que curiosos fenómenos observaríamos si los seres de ese otro Universo tuvieran un tamaño similar al nuestro?

Desde su enunciado y verificación experimental, la dualidad onda-corpúsculo ha hecho bullir los cerebros de miles de científicos y no científicos. Una primera pregunta es si es real o si bien es únicamente consecuencia de nuestra falta de comprensión del mundo. Desde hace años, en la comunidad científica hay total acuerdo de que es real. Además, los tecnólogos la aprovechan en múltiples aplicaciones. Entonces, ¿por qué en nuestro cerebro no se forman las imágenes de los objetos que son a la vez partículas y ondas? La explicación es sencilla: nuestro cerebro evolucionó desde una fase primitiva en la que las tareas más importante era cazar, pelear y el aprendizaje de otras habilidades necesarias para subsistir.

Dado que el conocimiento de que las partículas subatómicas se comportan como ondas no es necesario para nuestra subsistencia, nuestro cerebro se ha quedado con la imagen y visión clásica en la que las partículas y las ondas no están relacionadas. Por otra parte, el cerebro humano está configurado para operar con números simples y en los que se cumple la propiedad conmutativa, 2×4=4×2. Los objetos del mundo cuántico operan con matrices y resulta que éstas, a veces, no conmutan: si A y B son matrices que no communtan, se cumple que AxB no es igual a BXA. Esto ya nos hace pensar que el mundo cuántico en el que nos adentraremos es mucho más complejo que el clásico.

 

3. EFECTO TÚNEL CUÁNTICO: SIN ANALOGÍA CLÁSICA

El llamado Efecto Túnel es un fenómeno cuántico asombroso y rompedor en el sentido de que no tiene un análogo en la física clásica, que se da cuando un objeto atraviesa una barrera de energía sin necesidad de saltarla. Metafóricamente hablando, es como si entre dos posiciones entre las que existe la barrera –llamemoslas 1 y 2– se hiciese un túnel que permitiera al objeto pasar de 1 a 2 sin coste energético alguno.

Podemos pues comenzar preguntándonos por qué no existe el efecto túnel en el mundo clásico. La respuesta es fácil. ¿Podemos entrar en una habitación sin abrir la puerta que la mantiene cerrada? Claramente, «no». Si profundizamos un poco más en la razón científica, nos encontramos otra vez con el hecho de que el valor de la constante de Planck es nuestro mundo muy pequeña, hecho que impide a los humanos hacer cosas cuánticas.

Sin embargo, el efecto túnel sí lo podemos observar en el mundo de los átomos y, también, en un mundo mucho mayor que el de los átomos pero muchísimo más pequeño que nuestro mundo cotidiano. Un ejemplo importantísimo por sus implicaciones tecnológicas: un metal superconductor conduce la corriente eléctrica sin resistencia, no hay pérdidas por efecto Joule. Pues bien, en un anillo superconductor nos podemos encontrar con que la corriente eléctrica circula a la vez según las manecillas del reloj y en sentido contrario. Pero si profundizamos un poco más en este fenómeno, deberíamos decir que la corriente se encuentra en un estado de superposición de las dos corrientes dextrógira y levógira. Es decir, la corriente eléctrica está en un estado de superposición cuántica. La observación experimental de este fenómeno nos ha mostrado que dicho estado de superposición puede vivir durante microsegundos.

Si este fenómeno se diera en el mundo de los humanos, usted lector, podría estar a la vez leyendo este manuscrito y jugando al fútbol. Esto último no se ha visto nunca y se debe al valor tan pequeño de la constante de Planck. Sospecho que en el caso de la superposición cuántica, la naturaleza ha sido poco generosa con los humanos al no permitir que la constante de Planck fuera mucho mayor y, por consiguiente, nosotros tuviéramos la capacidad de superponer acciones.

Así pues, en el mundo macroscópico la superposición cuántica no se observa porque su tiempo de vida es infinitamente pequeño y por tanto imposible de observar. En el mundo atómico y nuclear, el escenario es totalmente diferente. La superposición cuántica de dos estados persistir durante días antes. Este sería el caso, por ejemplo, de la superposición del giro de un núcleo atómico en las direcciones dextrógira y levógira.

Otro ejemplo de efecto túnel y superposición cuántica es el que se da entre los polos magnéticos en el caso de brújulas del tamaño de miles de átomos. Este efecto se descubrió a mediados de los años noventa del siglo pasado. Desde niños, todos hemos experimentado con imanes. Sabemos que tienen dos polos –norte y sur– y que los que son opuestos, se atraen, al tiempo que los polos iguales se repelen. Las brújulas siempre nos muestran, por ejemplo, el Polo Norte geográfico viendo la orientación del Polo Sur de la brújula. En este caso, los dos imanes son la brújula y la Tierra.

Con imanes pequeñitos podemos formar la memoria de una tarjeta de crédito o la de ordenador creando un código binario 1 y 0. Se habla del bit 1 y del bit 0. El grupo de imanes con el Polo Norte hacia arriba sería, por ejemplo, el bit 1 y vendría seguido de otro conjunto de imanes con el polo sur hacia arriba, que sería el bit 0. Cuanto más pequeños sean dichos grupos de imanes, más información, más bits, podremos guardar por unidad de volumen o superficie. La reducción del tamaño de los bits 1 y 0 junto con la miniaturización de los transistores ha hecho que hayamos llegado tan lejos con los computadores: más rapidez operacional y mayor capacidad de guardar información

Pues bien, resulta que cuando los imanes son suficientemente pequeños, sus polos Norte y el Sur pueden coexistir simultáneamente en un estado de superposición N y S. En otras palabras, cada imán está en un estado de superposición cuántica de sus polos por lo que las unidades de información ya no pueden ser los clásicos bits 1 y 0.

Cuando se descubrió el efecto túnel entre los polos de un imán cundió el desánimo en el mundo industrial pues dicho efecto imponía un límite al tamaño de los bits. Para tamaños más pequeños se pierde la posibilidad de tener bits magnéticos. Era un caso análogo a los circuitos eléctricos de los superconductores cuando se descubrió la superposición cuántica de la corriente eléctrica.

Pero rápidamente los científicos cayeron en la cuenta de que la superposición cuántica de los dos estados de la corriente y de los polos de imanes moleculares les ponían a su disposición los “qubits eléctricos y magnéticos”. Los qubits son los elementos que conforman el computador cuántico. Un computador cuántico es el equivalente de un número casi infinito, exagerando un poco, de computadores clásicos trabajando en paralelo. Así que la capacidad y velocidad de cálculo crecerán muy exponencialmente.

Algunos científicos, entre los que hay que destacar a Roger Penrouse han especulado con la posibilidad de que el cerebro sea un computador cuántico y que un misterioso proceso cuántico que nosotros llamamos intuición es capaz de solucionar complicadisimos problemas en tiempos pequeñísimos. Este razonamiento es lo que a algunos nos ha llevado a sugerir que pueda existir el bilingüe cuántico: una persona que piensa en dos idiomas simultáneamente y, en cada momento, habla en el idioma del interlocutor.

El hecho de que hasta ahora todos los qubits conocidos deban estar a muy bajas temperaturas, -270ºC, para vivir el tiempo necesario para poder operar con ellos, se vuelve en contra de la propuesta del cerebro y pensamientos cuánticos dado que el cerebro humano está a la temperatura a la que vivimos los humanos. El futuro dictará el veredicto final.

Si cambiamos totalmente de terrero y nos vamos a la moderna Cosmología, es interesante resaltar que en ella se ha abierto paso una teoría que sugiere que el Universo nació como consecuencia de un efecto túnel cuántico macroscópico. Unos años más tarde de que Albert Einstein publicara sus trabajos sobre la Teoría General de la Relatividad, aparecieron trabajos de varios científicos en los que se encontraron soluciones de las ecuaciones de Einstein que explican tanto la expansión como el colapso del Universo. A continuación aparecieron los astrónomos en acción con resultados sobre el llamado corrimiento hacia el rojo: las estrellas aparecen más y más rojizas a medida que están más lejanas en el Universo. Esto es una consecuencia del efecto Doppler: la luz cambia de frecuencia, de color, si la fuente luminosa se mueve. Si el desplazamiento es hacia el rojo significa que la estrella se aleja, hecho que puede ser consecuencia del Universo en expansión. En los años ochenta del siglo XX, se publicaron trabajos científicos en los que se demostraba matemáticamente que el Universo, con todo lo que hay en él, se originó, dicho en pocas palabras y sin rodeos, en una explosión que ocurrió en el espacio vacío. Es decir, el Universo surgió de la “nada”. Años más tarde se publicaron trabajos en los que se demostraba que lo que surgió de la explosión cuántica podrían haber sido “infinitos” Universos.

Si fuera verdad la aparición de esos infinitos universos, habría uno igual que el nuestro por lo que cada de uno de nosotros podría tener su “gemelo” en dicho Universo. Una vez en marcha, los científicos se comportan como arrolladoras y producen teoría tras teoría. Así que el paso siguiente fue sugerir la posibilidad de que existe efecto túnel cuántico entre diferentes Universos.

 

4. APLICACIONES TECNOLÓGICAS EN EL MUNDO CUÁNTICO

Deflagración magnética cuántica

La primera gran aplicación que quiero comentar es la del láser. Sabemos que los átomos poseen órbitas en las que se mueven los electrones y que cuando ponemos a un electrón en una órbita superior, se llama estado excitado, tiende a caer rápidamente a su órbita emitiendo un fotón. Se encontró experimentalmente que cuando se ponían a la vez los electrones de muchos átomos en el mismo estado excitado, al cabo de un cierto tiempo todos caían de forma coherente a sus órbitas iniciales lo que conlleva la emisión simultánea de luz coherente que se denominó láser. El nuevo reto ahora bien podría enunciarse como centrarnos en conseguir el láser de rayos gamma y de, por ejemplo, las microondas de la telefonía móvil. Abriríamos nuevos caminos intransitados hasta ahora y…

 

Permítanme una pequeña frivolidad, en forma de metáfora, al poner el siguiente ejemplo para explicar el láser. En un edificio de tres plantas viven 1200 personas, 600 en las dos primeras plantas, la tercera planta está vacía. En el suelo que rodea al edificio han colocado una gran colchoneta. Los vecinos del edificio de enfrente han verificado que de vez en cuando sube a la tercera algún vecino de los que habitan en la primera o segunda planta e inmediatamente se precipita hasta el suelo cayendo en la colchoneta. Es como si hubiera una fuerza natural que les obligara a hacerlo. Curiosamente, también han observado que cuando las 1200 personas suben a la vez a la tercera planta, primero se cogen de la mano, se miran a los ojos y tras un tiempo de reflexión y espera, se tiran todos a la vez. Es como si hubiera una fuerza misteriosa que les hace actuar de forma coordinada y coherente. Éste sería el “láser humano”. Es como si se impusiera un impulso comunitario o venciera el eslogan de la unión -cuántica, en este caso- hace la fuerza.

Otra aplicación moderna y de gran repercusión tecnológica es la del microscopio de efecto túnel cuántico. Este instrumento se basa en el comportamiento ondulatorio de los electrones y permite rastrear y mapear superficies con una resolución espacial del tamaño de un átomo.

 

 

Ya he comentado antes la relación entre el efecto fotoeléctrico y las placas solares: las partículas de luz, los fotones, arrancan electrones de los sólidos y producen corrientes eléctricas. En mi opinión la quintaesencia de los dispositivos cuánticos es lo que se conoce con el nombre de Interferómetro Cuántico Superconductor, SQUID. Los SQUIDs permiten medir campos magnéticos millones de veces más pequeños que el campo magnético terrestre. Son tan sensibles que incluso permiten medir el cuánto de flujo magnético. Los tecnólogos le han encontrado muchas aplicaciones y entre ellas destaca las de poder realizar magnetocardiogramas y magnetoencefalogramas. Es decir, midiendo los campos magnéticos asociados al ritmo cardiaco y a la actividad cerebral se puede conocer el funcionamiento del corazón y cerebro sin tocarlos. Esto nos abre de par en par la posibilidad de la comunicación entre cerebros sin necesidad de conectarlos mediante cables. El futuro del que hablan estos relatos está claramente en manos cuánticas.

¿Y qué decir de la criptografía cuántica? En estos momentos de tanta comunicación telemática y ataques cibernéticos que desvelan los mayores secretos de todos —personas, empresas y gobiernos— hay una necesidad imperante de disponer de seguridad en las telecomunicaciones. La criptografía cuántica ha emergido como la gran salvadora de este continuo ataque informático a las comunicaciones de todos contra todos. La criptografía cuántica posee la plusvalía tecnológica que asegura las telecomunicaciones hasta el nivel de que estas se interrumpen inmediatamente en caso de ataque.

Si ahora cambiamos de tercio y volvemos de nuevo a la medicina, me gustaría comentarles los fundamentos de la llamada Resonancia Magnética Nuclear. ¿Quién no se ha hecho una resonancia magnética a partir de una cierta edad? Nos hacen resonancias para detectar tejidos defectuosos, músculos lesionados…. Casi cada día tenemos la noticia de que los grandes deportistas están pendientes de los resultados de una resonancia para evaluar el alcance de su lesión. ¡Bendita resonancia magnética! Para mí el uso de la resonancia magnética en diferentes campos y sobre todo en medicina, constituye el mejor ejemplo de perseverancia del trabajo humano y colaboración entre un espectro muy amplio de personas de diferente formación.

 

Veamos los hechos. Cuando se aplica un campo magnético a un protón, aparecen dos estados posibles para dicho protón y entre ellos hay una diferencia de energía que se corresponde a la energía que poseen las ondas de la radio. Así que cuando se envía una de estas ondas y se da el caso que su energía es igual que la diferencia energética de los estados del protón resulta que el protón la absorbe para cambiar de estado. Los humanos hemos tenido la suerte de que las células cancerosas, las roturas musculares y otras muchas enfermedades se manifiestan con protones que cuando están sometidos a un campo magnético poseen estados de energía diferentes de los que poseen los protones de las células sanas y los tejidos sanos. Imagínense el avance tecnológico, mirando los protones de los núcleos del átomo de hidrógeno, podemos saber si estamos enfermos de cáncer o si un músculo se ha dilatado unos pocos milímetros. De no ser un científico, de haberlo explicado cientos de veces y haberlo visto en acción, me mostraría incrédulo. Una vez más, la combinación de la ciencia y de la tecnología nos han llevado a un terreno que podríamos calificar de mágico.

El entrelazado cuántico entre fotones ha permitido construir un  microscopio “cuántico” para observar estructuras biológicas a escala del nanómetro sin dañarlas o  destruirlas durante la observación. Este nuevo microscopio emplea un láser que es millones de veces más brillante que la luz del sol. Y basta con medir las propiedades  de uno de los fotones, para saber las propiedades del otro. Además de esta manera se pueden observar mejor células vivas sin dañarlas y   con una resolución nunca conseguida: La tecnología cuántica al asalto del mundo celular.

Para acabar, dos palabras sobre el computador cuántico, QC, que ya lo he explicado un poco más arriba. En la actualidad se trabaja en computadores cuánticos que ya poseen cientos de qubits pero que todavía necesitan de muy bajas temperaturas para operar. El gran reto de futuro es conseguir que los QC puedan trabajar con millones de qubits y, si me permiten soñar un poco más, que funcionen a temperatura ambiente. El logro sería grandioso y la humanidad en su conjunto podría vivir tiempos de inmensa gloria.

 

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