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El universo cuántico Maximizar

El universo cuántico

Brian Cox (aut)
Jeff Forshaw (aut)
Marcos Pérez Sánchez (trad.)

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(Y por qué todo lo que puede suceder, sucede)

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9788499923697

¿Qué es la física cuántica? ¿Cómo nos ayuda a entender el mundo? ¿Dónde deja a Newton y a Einstein? Y sobre todo, ¿por qué podemos estar seguros de que es una buena teoría?
Brian Cox y Jeff Forshaw ofrecen un modelo concreto de la naturaleza que es comparable en esencia a las leyes del movimiento de Newton, la teoría electromagnética de Maxwell y la teoría de la relatividad de Einstein. A través de analogías con la vida cotidiana, que demuestran que los extraños fenómenos cuánticos tienen una explicación, logran transformar principios científicos fundamentales en algo fascinante y accesible a todo el mundo.
Un recorrido por la teoría científica actual de la materia que permite explicar las sorprendentes propiedades de las partículas subatómicas o por qué si los átomos están prácticamente vacíos no atravesamos el suelo que está bajo nuestros pies.
«Un libro que rompe todas las reglas de la ciencia divulgativa.» The Economist 
«Brian Cox y Jeff Forshaw comparten la cualidad poco común de hacer accesible un tema complicado... El libro es una obra de arte del pensamiento científico moderno que bien merece la atención del lector.» San Francisco Book Review
«Si estás interesado en el mundo real y quieres leer una extraordinaria introducción al mayor logro de la humanidad en los últimos cien años, coge este libro, léelo despacio, digiérelo, intégralo en tu vida, y tu vida cambiará para mejor.» The Huffington Post

Físico teórico en la Universidad de Manchester, trabaja con el acelerador y colisionador de partículas en el experimento ATLAS del CERN, en Ginebra, y es investigador de la Royal Society. Se ha convertido en una voz fundamental como divulgador científico en el Reino Unido, donde presenta programas sobre ciencia en la BBC
con gran éxito de audiencia. Cox y Forshaw han publicado conjuntamente ¿Por qué E=mc2? (Debate, 2013) y El universo cuántico. Cox también es coautor, junto a Andrew Cohen, de Wonders of the Solar System (2010) y Wonders of the Universe (2011).
Es profesor de física teórica en la Universidad de Manchester, especializado en física de partículas elementales. Fue premiado con la medalla del Institute of Physics Maxwell en 1999 por su valiosa contribución al campo de la física teórica. Ha publicado dos libros de texto: Quantum Chromodynamics and the Pomeron, junto a Douglas A. Ross (1997), y Dynamics and Relativity, con Gavin Smith (2009).
1
Aquí pasa algo raro
Cuántico. La palabra es al mismo tiempo evocadora, desconcertante y fascinante. Dependiendo de cuál sea su punto de vista, es la constatación del profundo éxito de la ciencia o un símbolo del limitado alcance de la intuición humana en nuestra lucha con la innegable extrañeza del dominio subatómico. Para un físico, la mecánica cuántica es uno de los tres grandes pilares en los que se basa nuestra comprensión del mundo natural, junto con las teorías especial y general de la relatividad de Einstein. Las teorías de Einstein abordan la naturaleza del espacio y del tiempo, y la fuerza de la gravedad. La mecánica cuántica aborda todo lo demás, y podría decirse que no importa en absoluto si es evocadora, desconcertante o fascinante: es simplemente una teoría física que describe cómo se comportan las cosas. Según esta pragmática vara de medir, su precisión y su capacidad explicativa son deslumbrantes. Existe una prueba de la electrodinámica cuántica, la más antigua y mejor comprendida de las teorías cuánticas modernas, que consiste en medir el comportamiento de un electrón en las proximidades de un imán. Durante años, armados de lápiz, papel y ordenadores, los físicos teóricos trabajaron intensamente para predecir el resultado de los experimentos. Los físicos experimentales construyeron y llevaron a cabo delicados experimentos para dilucidar los detalles más menudos de la naturaleza. Ambos bandos obtuvieron de forma independiente resultados de una gran precisión, equivalentes a medir la distancia entre Manchester y Nueva York con un margen de error de unos pocos centímetros. Sorprendentemente, el número al que llegaron los experimen-
talistas concordaba de manera precisa con el que habían calculado los teóricos: mediciones y cálculos estaban en perfecto acuerdo.
Esto es algo impresionante, pero también extravagante, y si el único objetivo de la teoría cuántica fuese trazar un mapa de lo diminuto, sería razonable preguntarse a qué viene tanto lío. La ciencia, como es evidente, no tiene necesariamente por qué ser útil, aunque muchos de los cambios tecnológicos y sociales que han revolucionado nuestras vidas tienen su origen en la investigación fundamental que llevan a cabo los exploradores de nuestros días, cuya única motivación es llegar a comprender mejor el mundo que los rodea. Estas exploraciones movidas por la curiosidad a través de todas las disciplinas científicas han dado lugar a un aumento de la esperanza de vida, a los viajes aéreos intercontinentales y a las telecomunicaciones modernas, nos han permitido liberarnos de las penurias de la agricultura de subsistencia y nos han ofrecido una visión integradora e inspiradora, y toda una lección de humildad sobre el lugar que ocupamos en el infinito mar de estrellas. Pero, en cierto sentido, esto no son más que subproductos. Exploramos porque somos curiosos, no porque tratemos de construir grandiosas representaciones de la realidad o mejores artilugios.
La teoría cuántica quizá constituya el mejor ejemplo de cómo lo infinitamente extravagante acaba siendo profundamente útil. Extravagante, porque describe un mundo en el que una partícula puede realmente estar en varios lugares al mismo tiempo, y se mueve de un sitio a otro explorando de manera simultánea el universo entero. Y útil, porque entender el comportamiento de los componentes más pequeños del universo es la base sobre la que se erige nuestra comprensión de todo lo demás. Esta afirmación raya en la arrogancia, porque el mundo está repleto de fenómenos diversos y complejos. Pero, a pesar de esta complejidad, hemos descubierto que todas las cosas están construidas a partir de un puñado de diminutas partículas que se comportan según las reglas de la teoría cuántica. Tales reglas son tan sencillas que se pueden resumir en unas pocas líneas. Y el hecho de que no sea necesaria una biblioteca entera para explicar la naturaleza esencial de las cosas es uno de los mayores misterios.
Aparentemente, cuanto más entendemos sobre la naturaleza fundamental del mundo, más simple parece. A su debido tiempo explicaremos cuáles son estas reglas básicas y cómo los minúsculos componentes se alían para formar el mundo. Pero, para evitar que nos deslumbre la simplicidad fundamental del universo, conviene dejar clara una cosa: aunque las reglas básicas del juego son sencillas, no siempre es fácil calcular sus consecuencias. Nuestra experiencia cotidiana del mundo está marcada por las relaciones entre enormes conjuntos de billones de átomos, y tratar de derivar el comportamiento de las plantas y las personas a partir de los principios fundamentales sería una locura. Reconocerlo no resta importancia al hecho de que en la base de todos los fenómenos se encuentra la mecánica cuántica de partículas diminutas.
Piense en el mundo que tiene a su alrededor. Tiene en sus manos un libro hecho de papel, fabricado a su vez a partir de la pulpa machacada de un árbol.' Los árboles son máquinas capaces de tomar un suministro de átomos y moléculas, descomponerlos, y reordenarlos para crear colonias cooperativas compuestas por muchos billones de partes individuales. Para hacerlo, utilizan una molécula llamada clorofila, compuesta por más de cien átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno retorcidos en una intrincada forma, salpicada aquí y allá con unos pocos átomos de magnesio y nitrógeno. Este conjunto de partículas es capaz de capturar la luz que ha atravesado los 150 millones de kilómetros que nos separan de nuestra estrella, un horno nuclear cuyo volumen es un millón de veces mayor que el de la Tierra, y transferir esa energía al corazón de las células, donde se emplea en fabricar moléculas a partir de dióxido de carbono y agua, en un proceso en el cual se emite oxígeno, tan importante para la vida. Son estas cadenas moleculares las que forman la superestructura de los árboles y de todos los seres vivos, y también del papel de su libro. Puede leer el libro y entender las palabras que contiene porque posee ojos capaces de convertir la luz que reflejan las páginas en impul-
sos eléctricos que se interpretan en el cerebro, la estructura más compleja de la que tenemos constancia en el universo. Hemos descubierto que todas estas cosas no son más que conjuntos de átomos, y que la gran variedad de átomos que existen están compuestos únicamente por tres partículas: electrones, protones y neutrones. También hemos descubierto que los protones y los neutrones están a su vez formados por entidades más pequeñas llamadas quarks, y hasta ahí llega nuestro conocimiento, al menos hasta donde sabemos a día de hoy. En la base de todo esto se encuentra la teoría cuántica.
La representación que nos ofrece la fisica moderna del universo que habitamos es, por lo tanto, una imagen de simplicidad subyacente: fenómenos elegantes que escapan a nuestra mirada, y de los que emerge la diversidad del mundo macroscópico. Este es quizá el culmen de la ciencia moderna: la reducción de la tremenda complejidad del mundo, incluidos los seres humanos, a una descripción del comportamiento de apenas un puñado de minúsculas partículas subatómicas y de las cuatro fuerzas que actúan entre ellas. Las mejores descripciones con que contamos de tres de estas fuerzas, las fuerzas nucleares fuerte y débil que operan en las profundidades del núcleo atómico, y la fuerza electromagnética que mantiene unidos los átomos y las moléculas, nos las proporciona la mecánica cuántica. Únicamente la gravedad, la más débil pero probablemente también la más conocida de las cuatro, carece a día de hoy de una descripción cuántica satisfactoria.
Hemos de reconocer que la teoría cuántica tiene cierta fama de rara, y en su nombre se han escrito muchas tonterías. Gatos que pueden estar al mismo tiempo vivos y muertos; partículas capaces de estar en dos lugares a la vez; Heisenberg diciendo que todo es incierto. Todo esto es verdad, pero la conclusión que tan a menudo se extrae de ello —que, puesto que algo raro sucede en el mundo microscópico, estamos rodeados de misterio— en absoluto lo es. Percepción extrasensorial, sanación mística, pulseras vibratorias que protegen de la radiación, y tantas otras cosas por el estilo se introducen subrepticiamente en el reino de lo posible bajo el manto de la palabra «cuántico». Estos disparates nacen de una falta de claridad de
pensamiento, voluntarismo, incomprensión genuina o malintencionada, o alguna desafortunada combinación de todo lo anterior. La teoría cuántica describe el mundo con precisión, utilizando leyes matemáticas tan concretas como cualquiera de las que propusieron en su tiempo Newton o Galileo. Esta es la razón por la que sabemos calcular la respuesta magnética de un electrón con una precisión tan exquisita. La teoría cuántica proporciona una descripción de la naturaleza que, como descubriremos, posee una inmensa capacidad predictiva y explicativa para una enorme variedad de fenómenos, desde los chips de silicio a las estrellas.
Al escribir este libro, nuestro objetivo es desmitificar la teoría cuántica, un marco teórico que ha demostrado ser notoriamente confuso, incluso para sus pioneros. Para ello, adoptaremos una perspectiva moderna, que aproveche un siglo de experiencia y desarrollos teóricos. Sin embargo, para preparar el terreno, nos gustaría comenzar nuestro recorrido a principios del siglo xx, y repasar algunos de los problemas que llevaron a los fisicos a abandonar de manera tan radical la dirección anterior.
A la teoría cuántica se llegó, como sucede a menudo en la ciencia, por el descubrimiento de fenómenos naturales que los paradigmas científicos de la época no podían explicar. En el caso de la teoría cuántica, estos fenómenos fueron muchos y variados. Una sucesión de resultados inexplicables generaron excitación y confusión, y catalizaron un período de innovación experimental y teórica verdaderamente digno del más usado de los clichés: fue una era dorada. Los nombres de los protagonistas están grabados en la conciencia de cualquier estudiante de fisica, y presiden los cursos universitarios en la materia incluso a día de hoy: Rutherford, Bohr, Planck,
. Einstein, Pauli, Heisenberg, Schródinger, Dirac. Muy probablemente, nunca habrá otro momento en que tantos nombres se asocien con la grandeza científica en la búsqueda de un solo objetivo: una nueva teoría de los átomos y las fuerzas que componen el mundo fisico. En 1924, al recordar las primeras décadas de la teoría cuántica, Ernest Rutherford, el fisico de origen neozelandés que descubrió en Manchester el núcleo atómico, escribió: «El año 1896 [...] marcó el
comienzo de lo que, con razón, se ha denominado la era heroica de la Ciencia Física. Nunca antes en la historia de la física se pudo asistir a un período de tan intensa actividad, durante el que se sucedieron con vertiginosa rapidez descubrimientos de una importancia fundamental».
Pero antes de viajar al París del siglo XIX y al nacimiento de la teoría cuántica, ¿qué podemos decir de la propia palabra «cuántica»? El término entró en la física en 1900, a través del trabajo de Max Planck. Planck estaba interesado en la descripción teórica de la radiación que emiten los objetos calientes —la denominada «radiación del cuerpo negro»—, al parecer porque había recibido el encargo de estudiarla por parte de una compañía de iluminación eléctrica; en ocasiones, las puertas del universo se abren por los motivos más prosaicos. Hablaremos de la gran idea de Planck en detalle más adelante en este libro, pero para los propósitos de esta breve introducción bastará con decir que llegó a la conclusión de que solo podía explicar las propiedades de la radiación del cuerpo negro si suponía que la luz se emite en pequeños paquetes de energía, que llamó «cuantos». Así pues, la palabra significa literalmente «paquetes» o «discretos». En un primer momento pensó que esto no era más que un truco matemático, pero el trabajo posterior de Albert Einstein en 1905 sobre un fenómeno denominado efecto fotoeléctrico aportó una mayor consistencia a la hipótesis cuántica. Estos resultados eran sugerentes, porque los pequeños paquetes de energía se podían entender como el equivalente de las partículas.
La idea de que la luz está compuesta por un flujo de pequeñas balas contaba con una historia larga e ilustre, que se remontaba a Isaac Newton y al nacimiento de la fisica moderna. Pero parecía que el físico escocés James Clerk Maxwell había disipado cualquier duda que pudiese existir al respecto cuando, en 1864, publicó una serie de artículos que Albert Einstein describiría más tarde como «los más profundos y fructíferos que la física haya conocido desde la época de Newton». Maxwell demostró que la luz es una onda electromagnética que atraviesa el espacio, por lo que la idea de la luz como una onda gozaba de un inmaculado y, aparentemente, intachable pedigrí.
Sin embargo, en una serie de experimentos realizados entre 1923 y 1925 en la Universidad Washington en Saint Louis, Arthur Compton y sus colaboradores lograron producir choques entre cuantos de luz y electrones. Ambos se comportaban como bolas de billar, lo que constituía una evidencia concluyente de que la conjetura teórica de Planck tenía una base firme en el mundo real. En 1926, los cuantos de luz recibieron el nombre de «fotones». La evidencia era incontrovertible: la luz se comporta como onda y como partícula. Esto marcó el fin de la física clásica, y el final del principio de la teoría cuántica.
Índice
AGRADECIMIENTOS 9
1. Aquí pasa algo raro   11
2. Estar en dos lugares a la vez 18
3. ¿Qué es una partícula?   40
4. Todo lo que puede suceder, sucede   60
5. El movimiento como una ilusión 93
6. La música de los átomos 110
7. El universo en la cabeza de un alfiler (y por qué no atra-
vesamos el suelo) 137
8. Interconectados 159
9. El mundo moderno 185
10. Interacción 200
11. El espacio vacío no está vacío 224
Epílogo: La muerte de las estrellas 245
LECTURAS ADICIONALES 277
ÍNDICE ALFABÉTICO 279



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