Si cuántico significa algo que se puede contar, ¿qué es el «cuántico» en «ciencia cuántica» o «mecánica cuántica»? ¿Qué es lo que se cuenta?
Si pregunta a diferentes científicos, es probable que obtengas respuestas diferentes. Algunas respuestas estarán relacionadas, pero es más fácil empezar por examinar la respuesta más frecuente: Uno de los primeros usos de la palabra «cuántico» en el contexto de la ciencia cuántica está en la frase «cuantos de luz», la idea de que hay algo contable en la luz. Esta frase se entiende más fácilmente en términos de la energía que la luz transporta de un lugar a otro.
¿Quieres decir que si te pones al sol, puedes sentir cómo te calienta?
Sí, exactamente. La energía de la luz proviene del sol, viaja millones de kilómetros a través del espacio y llega a la piel, calentándola. Cuanto más tiempo permanezca bajo la luz del sol, más energía absorberá su piel. En principio, esta transferencia de energía de la luz a la piel podría ser continua. De hecho, antes de la ciencia cuántica, la teoría generalmente aceptada entre los científicos era que la energía luminosa podía transferirse continuamente en cualquier cantidad. Pero resulta que esta energía luminosa solo se transfiere en pequeños cuantos, es decir, en pequeñas partículas de energía. El nombre común de estos cuantos de luz que quizás ya hayas oído es «fotones».
Entonces, ¿puedes sentir a los fotones cuando el sol te calienta?
No individualmente, son tan pequeños que son imperceptibles para nosotros. Sin embargo, ahora podemos, gracias a nuestra comprensión de la mecánica cuántica, crear instrumentos que detectan y cuentan fotones individuales. Como analogía para entender por qué no se pueden sentir los fotones individuales, en lugar de pensar en la luz que golpea la piel, piense en el agua que la golpea. Si pone la mano bajo un grifo abierto o en un arroyo, sentirá que el agua fluye continuamente, pero si sale bajo la lluvia, sentirá que el agua le golpea en gotas que se pueden contar.
No estoy seguro de si podría contar el número de gotas de lluvia que me caen cuando estoy bajo la lluvia.
Puede ser. Pero la cuestión no es si podemos encontrar el número, sino si hay algo que podamos contar. En este caso, un «cuánto» de arena es un grano de arena. Pero ahora déjeme hacerte una pregunta más complicada, si estuviéramos en la playa mirando el agua y yo dijera: «cuenta el agua», ¿qué quiero decir?
¿Quizás cuántos litros de agua?
Sí, ¡sería un reto! De nuevo, la cuestión no es si una persona puede calcular realmente el número correcto, sino si hay algo significativo que contar. Ahora bien, si las gotas de lluvia fueran cada vez más pequeñas y cayesen cada vez más rápido, al final ya no sería posible percibir que el agua que te golpea viene en gotas individuales, sino que empezaría a parecer el flujo continuo de agua que percibes cuando pones la mano bajo un grifo o en un arroyo. El hecho de que haya gotas contables quedaría oculto a tu percepción.
Esto me recuerda que una película no es más que una serie de imágenes; si las imágenes se suceden rápidamente ante tus ojos, no parece una serie de imágenes, sino un movimiento continuo.
Es una situación similar en la que se oculta la naturaleza discreta y contable de las imágenes. Cuando ves una película, no parece que haya nada que contar en el movimiento que estás viendo. De la misma manera, la lluvia con gotas muy pequeñas puede parecer un flujo continuo de agua y la energía de la luz del sol que calienta tu piel no parece tener nada que contar. Estos cuantos de energía solar están muy bien ocultos a nuestra percepción habitual del mundo. Esto es una especie de sello distintivo de la ciencia cuántica: descubrir que las cosas que no parecen tener nada contable tienen, de hecho, un aspecto cuántico contable.
Pensar en estos cuantos de luz de energía en la luz del sol, estos fotones, se me ocurre preguntar: ¿cada cuánto de energía es del mismo tamaño?
No. De la misma manera que las gotas de lluvia o los granos de arena pueden tener diferentes tamaños, las energías de los fotones pueden tener diferentes tamaños. Sin embargo, hay un hecho muy interesante sobre el tamaño de los fotones relacionado con el hecho de que cualquier rayo de luz está compuesto por una combinación de diferentes colores de luz.
Sí, he visto cómo se puede enviar luz a través de un prisma de vidrio que la descompone en sus diferentes colores.
Exactamente, o como un arcoíris, que se puede ver cuando la luz del sol se descompone en sus colores constituyentes debido a las gotas de lluvia. Así que resulta que cada color específico de luz tiene su propio tamaño de fotones. Toda la luz roja de un tipo particular, más técnicamente de una longitud de onda o frecuencia particular, transmite energía en cuantos del mismo tamaño. Del mismo modo, toda la luz azul de un tipo particular tiene cuantos de energía del mismo tamaño. Los fotones de luz azul son más grandes que los fotones de luz roja, y los fotones de luz amarilla son más grandes que los de luz roja, pero más pequeños que los de luz azul. El orden de los colores del arcoíris, de rojo a violeta, indica el tamaño de los fotones de menor a mayor.
Ahora me estoy imaginando cómo, cuando estoy de pie bajo la luz del sol, mi piel absorbe estos cuantos de luz de diferentes tamaños, cada uno correspondiente a diferentes colores.
De hecho, además de los colores visibles, la luz solar también contiene luz que no podemos ver con nuestros ojos. Un tipo de esta luz es la luz «ultravioleta» o UV. Esta luz tiene fotones de energía más grandes que la luz visible. El tamaño de estos fotones es muy importante para nosotros porque cuando golpean nuestra piel, pueden causarle el mayor daño biológico; son los fotones grandes de la luz UV los que causan las quemaduras solares y pueden aumentar las posibilidades de contraer cáncer de piel.
Así que, aunque esta naturaleza cuántica de la luz está bastante oculta a nuestra percepción, en realidad tiene consecuencias importantes para nosotros. Una pregunta más al pensar en todos estos fotones muy pequeños y de diferentes tamaños que son absorbidos por nuestra piel cuando la luz nos golpea: si hay un número contable de ellos, ¿cuántos nos golpean?
Eso dependerá un poco de la persona y de la luz, pero una persona promedio que esté de pie bajo el sol va a recibir alrededor de mil billones de fotones en la piel cada segundo. Eso es un uno con 21 ceros: 1.000.000.000.000.000.000.000 cada segundo.
¡Oh, eso es muchísimo!
Es un número que puedes escribir, ¡pero que ciertamente no podrías contar! Es un aspecto fascinante de comprender sobre la experiencia común de estar de pie bajo la luz del sol que nadie sabía que existía hasta el advenimiento de la ciencia cuántica. Es algo en lo que pensar la próxima vez que te caliente el sol.
Escrito por Paul Cadden-Zimansky, profesor asociado de Física en el Bard College y coordinador global de IYQ.
El personje de IYQ, Quinnie, fue creado por Jorge Cham, alias PHD Comics, en colaboración con Physics Magazine. Todos los derechos reservados.
