Capítulo VIII: Un delirio infinito.

  

Capítulo VIII: Un delirio infinito.

 Es menester terminar esta primera parte con una guinda digna de él, y eso haremos con nuestro último acercamiento al inabarcable y escurridizo concepto de infinito. Durante los 7 capítulos precedentes hemos explorado el origen y los diferentes aspectos del universo que habitamos, y en el capítulo anterior lanzamos la osada teoría de que todo ello no podría ser más que un oportuno azar surgido del sin número de variantes posibles de un infinito de universos. Esta teoría, llamada principio antrópico, tiene la virtud de explicarlo todo sin explicar nada realmente y por ello incomoda a algunos científicos. En cualquier caso, el público en general, a través de películas y libros de ciencia ficción se ha acostumbrado a la posibilidad de que haya otros mundos y otros universos “más allá”. Sin embargo lo que hoy vamos a tratar es algo para lo cual nadie nos ha preparado. Ahondaremos de nuevo en las implicaciones del principio antrópico, sí, pero lo haremos de una manera que rozará la locura, aunque siempre desde la perspectiva de las hipótesis y experimentos más científicamente rigurosos. Mas para ello debemos de echar un fugaz vistazo atrás, hacia el principio de incertidumbre contra el cual nos topábamos al examinar los objetos muy muy pequeños.

  Adelantamos hace ya algunas semanas que no podemos conocer simultáneamente la velocidad y posición de una partícula subatómica. Conociendo una, se altera a la otra y viceversa. Así que a escalas tan diminutas, todo está envuelto en un halo de indeterminación e incertidumbre: solo se tienen “nubes” de probabilidades de que algo esté ahí o no, y lo desconcertante es que ese algo en realidad está en todos esos posibles sitios a la vez. No, no me estoy volviendo loco, esto es real y vamos a comprendelo mejor gracias a un famoso experimento que ha pasado a los anales de los más altos delirios de la física cuántica.

  Primero de todo, tenemos que tomar nota del hecho de que las partículas subatómicas pueden actuar como ondas o como mismas partículas según gusten, una propiedad llamada “dualidad onda-corpúsculo”. Bien, aclarado esto ahora tomemos una fuente que emite electrones situada enfrente de una placa con dos rendijas. Más allá de la placa, al otro lado del experimento, colocamos unos detectores. ¿Pueden imaginarlo? Mejor les dejo un dibujo.

Si activamos el emisor de electrones y mandamos un haz hacia la placa con las rendijas, ocurrirá algo curioso: los electrones interferirán unos con otros al modo en que lo haría una onda y allí donde cresta y cresta de onda coincidan, esta se reforzará, y donde cresta y valle lo hagan, se cancelará. Este reforzamiento-cancelación entre las ondas genera un conocido patrón (o dibujo) a rayas que los físicos conocen bien y que queda marcado en el detector.

Aquí vemos el experimento reproducido tanto por electrones que se comportan o bien como partículas o bien como ondas, con distintos resultados en cada caso.

  Genial, montado nuestro escenario, es momento de empezar a liar las cosas. Pongamos ahora el emisor a una potencia tan tan baja que solo emita un electrón más o menos cada hora. Lanzados de uno en uno, cualquiera pensaría que los electrones actuarán como partículas, ¿verdad? Pues así es, así lo hacen. O al menos eso quieren que pensemos cuando golpean limpiamente un solo punto concreto de los detectores cada vez... pero la verdad es más terrible. Si dejamos pasar el suficiente número de horas y el suficiente número de electrones y registramos sus impactos en los detectores, descubrimos aterrados como se forma de nuevo el patrón de interferencia. “¿Pero con qué interfieren los electrones si cruzan de uno en uno separados por un lapso de una hora unos de otros?” tal vez se este preguntando el lector. Muy sencillo, lo hacen consigo mismos. El electrón recorre todos los caminos posibles a la vez, incluso los que pasan por el bar de la esquina y no por las rendijas, e interfiere consigo mismo generando el característico patrón de interferencia cuando esto ocurre muchas veces. Si el lector empieza a mostrarse confundido, le advierto que esto no ha hecho más que empezar. Como tal vez dudemos de que el electrón sea tan ubicuo, podemos sentirnos tentados de cazarle in fraganti cruzando por las dos rendijas a la vez y auto-interfiriéndose. Dicho y hecho, colocamos un detector en una de la rendijas. ¿Y qué ocurre? Pues que el patrón ya no se forma. Nuestro electrón no es tan idiota como para dejarse coger de esa manera tan tonta; sabedor de la existencia del detector, solo pasa por una rendija, o bien la del detector, o bien por la otra, pero nunca por las dos (nótese que esto lo “sabe” directamente nada más salir del emisor). Pero... ¿y si ponemos el detector pero no miramos sus resultados? En ese caso el patrón de interferencia regresa. Al electrón le importa un pimiento si ponemos el detector o no, lo que realmente le afecta es nuestro conocimiento sobre lo que hace. Y esto se aplica también al pasado. En nuestro último intento por tratar de cazar al electrón con las manos en la masa optamos por una desesperada decisión: colocamos el detector pero nos comprometemos a mirar sus resultados solo después de que halla pasado o no por la rendija, aunque antes de que llegue a nuestros detectores del final del experimento. Lo hacemos así y descubrimos que solo con observar el camino que ha recorrido el electrón después de que lo haya hecho podemos cambiarlo. En el momento en el que decidimos mirar los datos del detector de la rendija el electrón cambia su trayectoria pasada para hacerle pasar por una sola de ellas y no formar el patrón de interferencia. En el caso contrario de que no miremos el patrón regresa. Podemos de este modo cambiar el pasado del electrón.

  De acuerdo, paremos un momento... ¿que significa todo esto? ¿es que nos estamos volviendo todos locos? Si este experimento se hubiera producido solo en un laboratorio, podríamos achacar sus resultados al consumo de psicotrópicos, pero por desgracia para la cordura del lector, se ha repetido infinidad de veces en un montón de lugares distintos. Pero no desesperen, hay una explicación para ello, no es convencional y pone del revés todo lo que creemos saber sobre nuestra realidad, pero es una explicación al fin de al cabo.

  Engrasen sus neuronas porque con esto terminamos el tema, y lo haremos por la puerta grande (de la locura). ¡Allá vamos!

  Como decía antes, a niveles muy pequeños la realidad se comporta de un modo muy distinto de como estamos habituados a entenderla. Llamamos a este nivel “cuántico” porque la energía tiene una naturaleza discreta ٭ y se halla distribuida en paquetes o cuantos de energía. La luz es energía, y cuando queremos observar un objeto ínfimo nos enfrentamos al tamaño mínimo de esos cuantos, que son los que utilizamos para realizar la observación a fin de cuentas. Ello nos impone un riguroso límite a la información a la que podemos acceder en el mundo cuántico de lo muy muy pequeño. Dicho límite no viene marcado por nuestra capacidad tecnológica, sino que es inherente a las leyes físicas de este universo. Llegado un momento, uno no puede evitar interferir en lo que quiere observar y por lo tanto ya no puede hacerlo. Este es el principio de incertidumbre que ya comentábamos y viene enunciado así:

 ΔX x ΔP ≥ h / 2π ; 

donde ΔX es la diferencia en la posición que ocupa la partícula, ΔP la diferencia en su momento (o cantidad de movimiento: masa x velocidad), h es la constante de Plank referida al valor mínimo de los cuantos de energía, y π es nuestro célebre número pi (3,14... etc). Así pues, la incertidumbre en la posición o momento de una partícula siempre será igual o superior (≥) a ese valor de h / 2π. Es un valor muy pequeño pero franquearlo es imposible, con lo cual el mundo cuántico se mueve en una incertidumbre dentro de la cual pueden aparecer o desaparecer partículas a partir de la “nada”, o pueden estar en varios lugares a la vez o tener diversos estados o etc.

  Quedémonos con el dato de que los objetos no ocupan un solo lugar, sino que se hayan localizados en una ambigua zona donde la posibilidad de encontrarlos es más o menos alta. Ello se aplica también al electrón, no podemos entenderlo como una “canica” que se desdobla en varias para cruzar, sino como una nube de probabilidades que cruza por todos los sitios por los que puede.

  Ahora vayamos al desconcertante hecho de que una partícula carezca de un estado definido (por ejemplo el espín o “giro” que veíamos el otro día), sino que en ella concurran todos los estados posibles a la vez. Solo cuando los observamos manifiestan uno en concreto, antes de que los perdamos de vista y regresen a su ambigüedad. No voy a entrar en tecnicismos, pero el estado en el que se haya una partícula viene descrito por una compleja ecuación denominada “función de onda”. En un principio dicha función de onda abarca todos los posibles estados en los que veíamos que la partícula podría hallarse, pero cuando la observamos “colapsa” y solo detectamos uno en particular. Lo mismo pasa con las trayectorias del electrón: cuando las analizamos solo se manifiesta una de entre todas. El colapso de la función de onda es uno de los grandes misterios de la física, no deja de ser desconcertante que nuestra mera observación afecte a un sistema físico.

  Para mostrar el absurdo de todo esto, el célebre físico alemán Erwin Schrödinger propuso meter a un desafortunado gato en una caja junto a una ampolla de veneno que se rompería o no en función de la desintegración (o no) de un átomo radioactivo, con lo cual la vida o muerte del gato dependería del azar cuántico y nosotros no podríamos saber nada hasta abrir la caja y mirar. Llegará un momento, pasado cierto tiempo del experimento, en que la posibilidad de que el gato este vivo o muerto será la misma.... si nos imaginamos al gato descrito por una complejísima función de onda... ¿estaría vivo y muerto a la vez?

Según el principio de incertidumbre de la física cuántica el gato se hallaría vivo y muerto a la vez.

  Lo mismo se aplica a nuestro mundo cotidiano, ¿porqué su silla está en un solo punto y no en muchos a la vez si se halla compuesta de partículas que pueden estar simultáneamente donde les de la gana?

  La solución esta vez nos la da el llamado “mecanismo de de-coherencia”. En palabras de los físicos de la Universidad de Viena Markus Aspelmeyer y Markus Arndt: “Si un número cuántico simple se acopla a otro mayor formado por un gran número de partículas (baño térmico), parte del estado del primero se filtrará al segundo. Ello se debe a que el sistema cuántico original pasará a quedar entrelazado con los elementos que componen el baño térmico”. El entrelazamiento no es otra cosa que la superposición de dos estados cuánticos de modo en que la función de onda del conjunto no permite describir por separado cada una de las partes contribuyentes. En resumen, se filtra información entre distintas partes del sistema que quedarán de esta manera conectadas y se coordinaran actuando al unísono. Aquí tenemos que resaltar dos datos sorprendentes. En primer lugar, podemos aislar un sistema evitando en lo posible el mecanismo de decoherencia y llevar la “incertidumbre cuántica” (y por ejemplo la formación de patrones de interferencia) a objetos o grupos de objetos cada vez más grandes. Actualmente se ha conseguido hacer esto con moléculas de hasta 400 átomos, que en un momento dado quedaron deslocalizadas sobre un espacio 1000 veces más grande que ellas mismas. ¿Hasta donde llegaremos con esto? ¿Cual es el límite de tamaño para deslocalizar objetos? Nadie lo sabe. En segundo lugar, el entrelazamiento cuántico entre varias partículas (responsable de la decoherencia) implica que al modificar una afectas también a las demás. Esto ocurre instantáneamente sin importar la distancia que medie entre las distintas partículas y fue llamado por Albert Einstein la “espeluznante acción a distancia”, ya que en teoría podría permitir una comunicación superior a la velocidad de la luz, con todos los problemas y paradojas que ello implicaba (lanzar mensajes atrás en el tiempo por ejemplo, como ya vimos). Pese a todo la mal llamada “teletransportación cuántica”, en realidad “teletransportación de estados cuánticos”, ha sido probada en laboratorio. Por lo que he oído, parece haber mecanismos que evitan violar las leyes de la relatividad de Einstein (algo así como que el tiempo empleado en el acceso a la información compensaría el tiempo nulo de viaje), pero no sé mucho más, así que si algún lector sabe de ello le rogaría que me/nos escriba para compartirlo.

  Como ven, nos hemos metido en un terrible barrizal lleno de partículas que pueden ser muchas cosas a la vez y estar o viajar por múltiples caminos simultáneamente. Pero tenemos a alguien de excepción para aclarar todo esto: Richard Feyman, el famoso físico americano que pintaba cuadros para prostíbulos y para galerías de arte, tocaba los bongos en una orquesta, ganó el nobel de física y revolucionó nuestra concepción de la realidad con sus teorías (les invito a que indaguen sobre su biografía, es increíble). Y como no hay nadie mejor que un físico para explicar a otro físico, citaré a Stephen Hawking y a Leonard Mlodinow para resumir la teoría de Feynman: “En la interpretación de Feynman una partícula explora todos los caminos posibles de A y B y asigna un número denominado fase a cada camino. La fase representa la posición en el ciclo de una onda, es decir, si la onda se halla en una cresta o en un valle o en una cierta posición intermedia. […] Cuando se suman las ondas de todos los caminos se obtiene la probabilidad correcta de que la partícula, partiendo de A, llegue a B. La fase con que cada camino contribuye a la suma de Feynman (y por lo tanto la posibilidad de ir de A a B) puede ser representada como una flecha de longitud fijada pero que puede apuntar en cualquier dirección.” Resumiendo el resto a partir de aquí: el valor de las fases compone una suma de muchas historias diferentes y viene dado por la constante de Plank que antes veíamos en la ecuación del principio de incertidumbre. Si varias fases “apuntan” en diferentes direcciones sus valores son muy distintos y tienden a anularse entre sí, pero si por contra lo hacen en el mismo sentido, sus valores se suman y se refuerzan.

Imagen artística sacada del libro "El gran Diseño" de Stephen Hawking y Leonard Mlodinow que ilustra como ciertas sumas de fases se anulan entre sí mientras que otras se refuerzan.

  De este modo, quieren las leyes de la física que para objetos grandes el camino predicho por las leyes de Newton tenga fases semejantes que se sumen y den la máxima contribución a la suma total de historias posibles, con lo cual la suya será la que indiscutiblemente marcará la pauta logrando que una pelota al lanzarla se mueva como lo hace y no de otro modo. Feynman demostró que del mismo modo que el camino recorrido por uno de los electrones que disparábamos en el experimento anterior depende de todas las trayectorias que podían haberle llevado hasta allí, lo mismo ocurre en grandes sistemas físicos como lo pueda ser el universo entero. La probabilidad de cualquier observación está construida a partir de todas las posibles historias que podían haber conducido a dicha observación. Por ello el método de trabajo de Feynman se conoce como “suma de todas las historias” o “historias alternativas” y de este modo nuestra observación condiciona cuales de dichas historias llegan hasta nosotros.

  Como vimos cuando experimentábamos con los electrones, el presente, el pasado (no observado) y el futuro son indefinidos y solo existen como un espectro de posibilidades. Del mismo modo que alterábamos la trayectoria pasada del electrón cuando decidíamos observar el detector de la rendija después de que hubiera pasado por ella, también podríamos realizar el mismo experimento con fotones emitidos por lejanísimas galaxias situadas a miles de millones de años luz, en cuyo caso la elección sobre la trayectoria a tomar por dichos fotones se habría adoptado hace miles de millones de años, antes que la Tierra se hubiera siquiera formado, pero nuestra observación en el laboratorio estaría afectando a dicha elección.

  Y si lo que dice la física cuántica es cierto y nuestro universo no tiene una única historia sino muchas posibles, es lógico que nosotros estemos en esta y no en otra o no podríamos estar. Maravillas del principio antrópico.

  Así las cosas, vemos que nuestro planeta no es el centro del universo, ni lo es nuestra galaxia, ni tampoco el propio universo es el único que hay, ni tan siquiera lo es la realidad que habitamos dentro del mismo. Si todo esto es cierto, el infinito se extiende a nuestro alrededor, ofreciéndonos cosas terribles y maravillosas, y haríamos bien en liberarnos en lo posible de preocupaciones y ataduras y en aprovechar sus frutos, de los cuales nosotros mismos somos uno de los más prodigiosos, pues podemos elegir que próxima historia vamos a querer construir.

- Fin de la Primera Parte -

* En este contexto "discreta" no significa que la energía sea recatada y cautelosa, sino que se halla dividida en bloques indivisibles, como una construcción de lego en la cual las piezas fueran irrompibles. Dicho de otro modo, un sistema discreto es divisible un número finito de veces. En oposición a este concepto, tendríamos los sistemas contínuos, divisibles un número infinito de veces y en los cuales no podemos encontrar una mínima unidad indivisible. El conjunto de los números naturales es discreto: 1, 2, 3, 4... y el de los números reales contínuo: 1, 1 + 1/2, 1 + 1/3, 1 + 1 + 1/4...

Bibliografía:

-  "El Gran Diseño", Stephen Hawking y Leonard Mlodinow, editorial: Crítica.

-  "Efectos Cuánticos Macroscópicos", Markus Aspelmeyer y Markus Arndt, revista Investigación y Ciencia, nº 438 de marzo de 2013.