La mecánica cuántica 100 años después: una revolución inacabada

Hace un siglo, la física tuvo su momento darwiniano, un cambio de perspectiva que fue tan trascendental para las ciencias físicas como la teoría de la evolución por selección natural lo fue para la biología.

Es raro que una idea o teoría científica cambie fundamentalmente nuestra perspectiva de la realidad. Uno de esos momentos revolucionarios se celebra en 2025, que las Naciones Unidas han declarado Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas. Esto marca el centenario del advenimiento de la mecánica cuántica, que comenzó en una ráfaga de artículos hace 100 años. Del mismo modo que sería imposible entender la biología moderna sin la teoría de la evolución de Charles Darwin, nuestra comprensión fundamental del mundo físico se basa ahora en principios cuánticos. La física moderna es física cuántica.

La palabra cuanto se refiere a la forma en que la materia absorbe o libera energía: en paquetes discretos, o cuantos. Su uso en física procede de la palabra alemana quant, que deriva de un término latino que significa «cuánto». Hacia 1900, físicos como Max Planck y Albert Einstein empezaron a describir, de forma ad hoc, por qué varios fenómenos del reino subatómico no podían explicarse utilizando la mecánica clásica desarrollada por Isaac Newton y otros unos dos siglos antes. Después, en 1925, la cuántica pasó a utilizarse para describir los fundamentos de una forma totalmente nueva de mecánica, la rama de la física que describe la relación entre las fuerzas y el movimiento de los objetos físicos.

Como describe el historiador de la ciencia Kristian Camilleri en un Ensayo sobre los sorprendentes acontecimientos de aquel año y los que siguieron, el físico Werner Heisenberg viajó a la isla alemana de Heligoland, en el Mar del Norte, en el verano de 1925, en busca de alivio para una grave fiebre del heno. Poco después, envió a la revista Zeitschrift für Physik un artículo cuyo título se traduce como «Sobre la reinterpretación teórico-cuántica de las relaciones cinemáticas y mecánicas»(W. Heisenberg Z. Physik 33, 879-893; 1925). Esto dio lugar a otros estudios en los meses siguientes por parte de Heisenberg y sus estrechos colaboradores, así como a trabajos que utilizaban un enfoque alternativo por parte de Erwin Schrödinger.

La revolución no empezó cuando los físicos desecharon las leyes de la mecánica clásica, sino cuando reinterpretaron radicalmente conceptos clásicos como la energía y el momento. Sin embargo, exigió que sus iniciadores abandonaran ideas de sentido común muy arraigadas, como la expectativa de que los objetos subatómicos, como las partículas, tuvieran una posición y un momento bien definidos en un momento dado. En su lugar, los físicos descubrieron que los fenómenos naturales tenían una naturaleza inherente incognoscible. En otras palabras, la física clásica sólo es una representación aproximada de la realidad, y se manifiesta únicamente a nivel macroscópico. Un siglo después, esta visión de la naturaleza del mundo físico sigue emocionando y desconcertando a partes iguales. Muchos lectores de Nature conocerán los dilemas filosóficos que plantean los gatos cuánticos que están vivos y muertos a la vez, y la industria que está creciendo en torno a la informática cuántica.

Otros sabrán cómo las ideas cuánticas dieron lugar a los láseres que transmiten información a través de los cables de Internet, y a los transistores que proporcionan la potencia de procesamiento de los chips electrónicos. Pero las ideas cuánticas también conforman nuestra comprensión de la naturaleza, a todos los niveles, explicando por qué los objetos sólidos no se deshacen y cómo las estrellas brillan y, en última instancia, mueren.

Un año cuántico

Se están planeando actos conmemorativos en todo el mundo para los próximos 12 meses. Incluyen una ceremonia de apertura del año de la ONU en la sede de la organización científica de la ONU UNESCO en París en febrero; actos especiales en una reunión de la Sociedad Americana de Física en Anaheim, California, en marzo; y un taller para físicos en Heligoland en junio. La ambición colectiva de los organizadores es celebrar no sólo el centenario de la mecánica cuántica, sino también la ciencia y las aplicaciones que surgieron de ella en el siglo pasado, y explorar cómo la física cuántica podría aportar más cambios en el siglo venidero.

En mayo, Ghana, el país que propuso originalmente que la ONU proclamara 2025 año de la ciencia cuántica, acogerá una conferencia internacional sobre el tema en Kumasi. Y en agosto, los historiadores de la ciencia se reunirán para celebrar el siglo cuántico en Salvador de Bahía, Brasil.

Esta reunión será el punto culminante de un programa de investigación de 20 años que se propuso reexaminar el desarrollo de la teoría cuántica. Uno de los principales objetivos de ese trabajo, afirma el historiador Michel Janssen de la Universidad de Minnesota en Minneapolis, era establecer las contribuciones de un colectivo de científicos, muchos de los cuales -sobre todo mujeres- no han sido reconocidos en la historia del campo.

Entre estas «figuras ocultas» se encuentra Lucy Mensing, que formó parte del mismo grupo que Heisenberg y elaboró algunas de las primeras aplicaciones de su teoría de la mecánica cuántica, afirma Daniela Monaldi, historiadora de la Universidad York de Toronto (Canadá). Uno de los acontecimientos más destacados del año será la publicación de un volumen biográfico de ensayos sobre 16 de ellas, Women in the History of Quantum Physics.

A pesar de todo lo que ya ha aportado, la revolución cuántica aún tiene asignaturas pendientes. En los años en que los investigadores estaban sentando las bases de la mecánica cuántica, también empezaron a reconstruir otras ramas de la física -como el estudio del electromagnetismo y los estados de la materia- a partir de fundamentos cuánticos. También intentaron ampliar sus teorías para abarcar los objetos que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz, algo que la teoría cuántica original no contemplaba. Estos esfuerzos ampliaron drásticamente el alcance de la ciencia cuántica y llevaron a los investigadores a desarrollar el modelo estándar de partículas y campos, un proceso que finalmente cuajó en la década de 1970.

El modelo estándar ha tenido un éxito increíble, que culminó con el descubrimiento en 2012 de su partícula elemental principal, el bosón de Higgs. Pero estas extensiones se asientan sobre un terreno teórico menos sólido que el de la mecánica cuántica, y dejan varios fenómenos sin explicar, como la naturaleza de la «materia oscura» que parece superar con creces a la materia convencional visible en el cosmos. Además, un fenómeno importante, la gravedad, aún se resiste a ser cuantizado.

Otros problemas conceptuales de la física cuántica siguen abiertos. En particular, los investigadores luchan por comprender qué ocurre exactamente cuando los experimentos «colapsan» las difusas probabilidades de los objetos cuánticos en una medición precisa, un paso clave para crear el mundo macroscópico -todavía remordidamente clásico- en el que vivimos. En las últimas décadas, los investigadores han estado desarrollando formas de convertir estas peculiaridades de la realidad cuántica en tecnologías útiles. Las aplicaciones resultantes en informática, comunicaciones ultraseguras e instrumentos científicos innovadores están aún en sus fases iniciales.

La teoría cuántica sigue dando de sí. Este año es una oportunidad para celebrarlo y para concienciar al público en general del papel que la física cuántica tiene en sus vidas, así como para inspirar a las generaciones futuras, sean quienes sean y estén donde estén en el mundo, para que contribuyan a otro siglo cuántico.

Este artículo se publicó por primera vez en Nature.

Imagen destacada: La teoría cuántica ayudó a explicar cómo se dividen los niveles de energía de un átomo en un campo magnético, fenómeno conocido como efecto Zeeman.Crédito: Harsh Vardhan Dewangan/Shutterstock.