Esa trama de tiempos que se aproximan, se bifurcan, se cortan o que secularmente se ignoran, abarca todas las posibilidades, no existimos en la mayoría de esos tiempos; en algunos existe usted y no yo; en otros, yo, no usted; en otros, los dos. 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 Mecánica Cuántica, su impacto en la vida diaria y el contexto histórico de la obra "Copenhague"

Cuando se habla de personas influyentes, uno siempre piensa en los gobernantes o en los políticos. Sin embargo el impacto que ha tenido el descubrimiento de la Mecánica Cuántica en nuestro quehacer diario es tan formidable que es dable pensar que los científicos que contribuyeron a su desarrollo, son las personas que más influyen actualmente en nuestras vidas. Nombres desconocidos como Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, Bardeen, Oppenheimer, Gabor, Schockley, Brattain, Roentgen, Dirac, etc. y el único muy conocido Einstein, han cambiado el mundo completamente.
A principios del siglo XX se produjo en el mundo una verdadera revolución científica en el campo de la física, la que respondió a la inquietud del hombre por conocer la estructura de la materia, es decir saber cuales son sus componentes primarias. Ya los griegos habían pensado que estaba formada de pequeñas esferas que ellos denominaron átomos. Pero hasta entonces se trataba sólo de una conjetura. El descubrimiento de los rayos X en 1900 or Roentgen (primer Premio Nobel en Física), permitió tener las primeras evidencias de su existencia.
En las décadas iniciales del siglo pasado se realizaron muchos experimentos tendientes a dilucidar numerosas interrogantes respecto a la naturaleza de los átomos y sus constituyentes. Estos experimentos generaron una gran cantidad de datos. Sin embargo la recolección de resultados experimentales no basta en el trabajo científico. Para hacerlos valederos es necesario tener una visión global y coherente del fenómeno en estudio. Es lo que en la ciencia se llama una teoría. La Mecánica Cuántica es la teoría que por primera vez permitió entender el mundo microscópico de la materia, es decir él de los átomos. Fue el resultado del trabajo intelectual de físicos como Bohr, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac y otros.
Durante esta época no solo hubo una gran revolución en el campo de la ciencia, pero también el mundo estaba pasando por grandes cambios históricos como la revolución rusa, la primera y segunda guerras mundiales. Las consecuencias de la mecánica cuántica podrían haber completamente cambiado el mundo tal como lo conocemos ahora. Una de las consecuencias casi inmediatas de la mecánica cuántica es que ciertos átomos como el Uranio-235 se pueden fisionar (“quebrar”) si un neutrón (una partícula subatómica) choca con el. Cuando esto ocurre, se liberan un gran cantidad de energía y dos neutrones. En turno cada uno de estos neutrones choca con otro átomo de Uranio-235, libera energía y dos neutrones más. Esto es lo que se llama una “reacción en cadena” y da origen a una terrible arma: la bomba atómica. El único problema para construir una bomba atómica es que el uranio tiene varias formas (isótopos). El más abundante en la naturaleza es el Uranio-238 que no es fisionable y el Uranio fisionable (U-235) es solo 0.7% del Uranio que ocurre en la naturaleza. Separar el U-235 de los otros isótopos del Uranio es una tarea monumental. Y la principal dificultad para construir La Bomba.
Heisenberg, ex-discípulo del físico danés Bohr, estaba a cargo del esfuerzo nazi para construir la bomba atómica. En 1941 Heisenberg visitó Dinamarca que estaba bajo ocupación nazi expresamente para encontrarse con Bohr. Después de esta reunión la relación amistosa entre Bohr y Heisenberg se interrumpieron para siempre. Estaba tratando Heisenberg de convencer Bohr que trabaje para el esfuerzo alemán para desarrollar la bomba ¿ Estaba tratando de convencerlo que no ayude a los aliados ¿ Estaba Heisenberg espiando tratando de descubrir que sabia el enemigo ¿ Todo esto esta complicado por relaciones de tipo personales como discípulo-estudiante, padre-hijo, y competidores científicos y por el hecho de que Bohr tenia raíces judías. Michael Frayn, en su obra Copenhague, esta tratando de darnos varias posible soluciones a este misterio.
A todos nosotros este gran misterio nos abre una ventana en las actividades más influyentes y menos conocidas del quehacer humano. A diario uno esta en contacto con la mecánica cuántica a través de los transistores, computadoras, sensores, relojes, teléfonos, aviones, autos, láseres, rayos X, resonancia magnética etc., El mundo moderno esta tan invadido por estos inventos y descubrimientos que son una consecuencia directa de la mecánica cuántica y del trabajo de físicos de nombres comúnmente desconocidos. La existencia de estos dispositivos y artefactos es considerada tan natural como el aire que respiramos. Imaginarse un mundo sin estos avances tecnológicos es casi imposible. Todo esto, consecuencia de descubrimientos en la física básica, que cambio el mundo.
La Mecánica Cuántica no sólo nos permitió la comprensión de los átomos, sino que también introdujo un nuevo universo de conceptos e ideas, muchos de los cuales a primera vista eran descabellados. Sin embargo todas las predicciones de la Mecánica Cuántica han sido confirmadas, incluso aquellas que parecían en total contradicción con el sentido común. No solamente amplió nuestra visión intelectual o filosófica de la realidad. También permitió el desarrollo tecnológico en el cual nos encontramos inmersos en estos días. Así fue posible realizar estudios microscópicos de los materiales con una nueva disciplina, la que se llamó Física del Estado Sólido o Física del Sólido.
La Física del Sólido es la base del desarrollo tecnológico del siglo XX. Por ejemplo, es prácticamente imposible imaginarse las telecomunicaciones modernas sin dispositivos cuyas bases no se encuentren en la Mecánica Cuántica. Un teléfono portátil, por ejemplo, tendría el tamaño de una casa, difícilmente posible de llevárselo al oído. Sin la Mecánica Cuántica habrían muy limitadas comunicaciones internacionales, significaría habernos quedado con el telégrafo de los símbolos de Morse y no existiría la Internet, el correo electrónico, el contacto con bibliotecas internacionales, etc. El mundo actual sería mucho más primitivo y atrasado.
Por otra parte hizo posible el avance de la medicina, con la infinidad de instrumentos nuevos que permiten diagnósticos y tratamientos mucho más simples y precisos. Baste mencionar aquí el láser, el scanner, los equipos de resonancia magnética nuclear, los rayos X, etc. todos los cuales no existirían sin este conocimiento básico.
El transistor, inventado en la primera compañía de teléfonos, Bell Telephone, ciertamente es el invento más importante del siglo XX. Basado en el trabajo de tres físicos de sólidos, Bardeen, Brattain y Shockley, el transistor reemplazó los tubos. Su gran aporte fue la posibilidad de la miniaturización de la electrónica. Esto dio origen a los llamados circuitos integrados. Actualmente estos dispositivos están virtualmente en todos los aparatos y maquinarias que nos rodean: automóviles, aviones, cocina, computadores, medicina, sensores, controles industriales, etc., y ciertamente son esenciales en las telecomunicaciones a través de teléfonos, radio y televisión. Probablemente 99% de la industria moderna y 100% de las telecomunicaciones están impactadas por la invención del transistor. El mundo moderno, sin estos dispositivos, es inimaginable. Por el descubrimiento del efecto del transistor Bardeen, Brattain y Schockley recibieron el premio de Nobel en Física el año 1956.

El láser, junto con la fibra óptica, han aumentado el volumen de comunicaciones posibles y han mejorado enormemente la calidad de la transmisión. Inicialmente, las señales telefónicas se transmitían a través de cables metálicos. Hoy, con la invención de la fibra óptica y del láser, es posible transmitir en el mismo volumen de cables, millones de señales telefónicas más de lo que era posible anteriormente. También, gracias a que las comunicaciones son digitales, la calidad de la señal es enormemente superior, lo que permite, por ejemplo, la transmisión de señales de alta calidad acústica.
El impacto de la Física del Sólido en el futuro se esta vislumbrando también por descubrimientos e investigaciones basadas la Mecánica Cuántica. Uno de los temas de más intensa investigación actual es el de la llamada Spintrónica. Esta técnica posiblemente dará origen a toda una nueva electrónica digital. Hasta ahora la electrónica estaba basada en la carga eléctrica del electrón. Sin embargo otra propiedad fundamental del electrón, el llamado spin, no ha sido explotada en electrónica. Otro tema de investigación básica es la Computación y Comunicaciones Cuánticas. Una vez más una idea de la ciencia básica tiene implicaciones importantes para el futuro de las comunicaciones seguras, a través de la criptologia (la ciencia que permite enviar mensajes en clave), y la posibilidad de hacer crecer la velocidad de los computadores y de las telecomunicaciones enormemente. A dónde nos llevará esta nueva dirección de investigación básica en Física del Sólido es imposible imaginarse. Tal como hace 30 años hubiera sido imposible imaginar el mundo moderno que nos rodea.

La base de la tecnología moderna es la Mecánica Cuántica aplicada a la Física del Sólido en la cual la escuela de Copenhague de Bohr, Heisenberg, Einstein, Schrödinger jugaron un rol esencial.

EL TÚNEL CUÁNTICO DEL TIEMPO

Hace muchos años, Niels Bohr, el principal fundador de la
mecánica cuántica, advirtió sobre los peligros de aplicar
conceptos de la experiencia diaria —como espacio, tiempo,
partícula, etc.— a los fenómenos que ocurren en el mundo
microscópico de los átomos. A lo más, estos conceptos
deben tomarse como analogías, pero inevitablemente
surgirán contradicciones muy reales.

Uno de los postulados fundamentales de la teoría de la
relatividad de Einstein es que nada puede viajar a mayor
velocidad que la luz. Esto se ha confirmado plenamente en
el mundo macroscópico, pero las cosas parecen ser más
complicadas en el mundo de los átomos, donde rigen las
leyes de la mecánica cuántica.
Viajar más rápido que la luz puede ser enteramente
equivalente a viajar hacia atrás en el tiempo. La razón es
que el tiempo es relativo, como descubrió Einstein: el tiempo
medido por un reloj puede aumentar o disminuir según su
velocidad, pero lo que nunca cambiará es la distinción entre
pasado y futuro... a menos que el reloj se mueva más rápido
que la luz.



Sin embargo, el concepto del tiempo aparece sólo como una
variable más en la mecánica cuántica, sin ninguna distinción
entre pasado y futuro. La dirección del tiempo sólo se
manifiesta para cuerpos macroscópicos compuestos de
billones y billones de átomos, por lo que el tiempo sería una
ilusión provocada por la estadística (como señalamos en una
colaboración pasada).

Lo anterior no es sólo un concepto abstracto. Desde hace
algunos años se han hecho experimentos en los que se
manifiestan las contradicciones del mundo cuántico. Así, por
ejemplo, en un ya clásico experimento realizado en 1982 por
un equipo de físicos franceses, se encontró que dos partículas
de luz emitidas en direcciones contrarias pueden "influir" en
una extraña forma entre sí, aun cuando estén tan separadas
que esa influencia, interpretada de acuerdo con nuestros
conceptos tradicionales de distancia y tiempo, implicaría una
interacción a mayor velocidad que la luz.

Ahora hay nuevas sorpresas. De acuerdo con la mecánica
cuántica, una partícula siempre puede atravesar una barrera
por efectos cuánticos, incluso violando las leyes del mundo
macroscópico, como si pasara por un túnel debajo de la
barrera. Este llamado efecto túnel es bien conocido desde los
primeros años de la mecánica cuántica. Lo que no es conocido
es el comportamiento de la partícula mientras "está" en el
túnel y, en particular, cuánto tiempo tarda en atravesarlo.

Hace poco, un equipo de investigadores de la Universidad de
Berkeley, California, informó de una nueva clase de experimen
tos en los que también se manifiestan efectos cuánticos que
contradicen nuestro sentido común. El experimento consistió
en enviar un rayo de luz contra un espejo especialmente
diseñado; casi todas las partículas de luz fueron reflejadas
por el espejo, pero un pequeño número de ellas logró atrave
sarlo por el efecto túnel. Al medir el tiempo que le tomó a la
luz atravesar el espejo, el grupo de Berkeley encontró que
ésta tardó menos que si se hubiera propagado libremente en
el espacio (tal parece que la luz cruza el túnel cuántico a,
mayor velocidad que la luz en el vacío).



Este extraño comportamiento permitiría que una partícula cuántica viajara hacia atrás en el tiempo si se diseñara adecuadamente el experimento. Sin embargo, aun si se confirmara plenamente el resultado mencionado, hay que tener cuidado con las interpretaciones basadas en nuestro "sentido común", tal como lo advirtió Niels Bohr. Una "máquina del tiempo" sólo funcionaría para partículas atómicas aisladas y no para cuerpos macroscópicos como nosotros.