En el día a día, entendemos intuitivamente cómo funciona el mundo. Deja caer un vaso y se estrellará contra el suelo. Empuja una carreta y rodará. Acércate a una pared y no podrás atravesarla. Hay leyes físicas muy básicas a nuestro alrededor que captamos instintivamente: la gravedad hace que las cosas caigan al suelo, empujar algo hace que se mueva, dos cosas no pueden ocupar el mismo lugar al mismo tiempo.

A principios de siglo, los científicos pensaban que todas las reglas básicas como ésta debían aplicarse a todo en la naturaleza — pero entonces comenzaron a estudiar el mundo de lo ultrapequeño. Los átomos, los electrones, las ondas de luz, ninguna de estas cosas seguía las reglas normales. Cuando físicos como Niels Bohr y Albert Einstein empezaron a estudiar las partículas, descubrieron nuevas leyes físicas francamente extravagantes. Estas fueron las leyes de la mecánica cuántica, y obtuvieron su nombre del trabajo de Max Planck.

«Un acto de desesperación»

En 1900, Max Planck era un físico en Berlín que estudiaba algo llamado la «catástrofe ultravioleta». El problema era que las leyes de la física predecían que si se calentaba una caja de forma que no pudiera salir la luz (lo que se conoce como «caja negra»), debería producir una cantidad infinita de radiación ultravioleta. En la vida real no ocurrió tal cosa: la caja irradiaba diferentes colores, rojo, azul, blanco, igual que el metal calentado, pero no había una cantidad infinita de nada. No tenía sentido. Eran leyes de la física que describían perfectamente cómo se comportaba la luz fuera de la caja… ¿por qué no describían con precisión este escenario de la caja negra?

Planck intentó un truco matemático. Supuso que la luz no era realmente una onda continua como todo el mundo suponía, sino que quizás podía existir sólo con cantidades específicas, o «quanta», de energía. Planck no creía realmente que esto fuera cierto sobre la luz, de hecho más tarde se refirió a este truco matemático como «un acto de desesperación». Pero con este ajuste, las ecuaciones funcionaron, describiendo con precisión la radiación de la caja.

Tardó un tiempo en que todo el mundo se pusiera de acuerdo sobre lo que esto significaba, pero finalmente Albert Einstein interpretó las ecuaciones de Planck en el sentido de que se podía pensar en la luz como partículas discretas, al igual que los electrones o los protones. En 1926, el físico de Berkeley Gilbert Lewis las llamó fotones.

Quanta, quanta en todas partes

Esta idea de que las partículas sólo podían contener trozos de energía de determinados tamaños se trasladó también a otras áreas de la física. En la década siguiente, Niels Bohr la introdujo en su descripción del funcionamiento del átomo. Dijo que los electrones que viajaban alrededor de un núcleo no podían tener cantidades de energía arbitrariamente pequeñas o arbitrariamente grandes, sólo podían tener múltiplos de un «quantum» estándar de energía.

Con el tiempo, los científicos se dieron cuenta de que esto explicaba por qué algunos materiales son conductores de la electricidad y otros no, ya que los átomos con órbitas de electrones de diferente energía conducen la electricidad de forma diferente. Esta comprensión fue crucial para la construcción de un transistor, ya que el cristal en su núcleo se hace mediante la mezcla de materiales con diferentes cantidades de conductividad.

Pero también son ondas

Aquí está una de las cosas extrañas de la mecánica cuántica: el hecho de que un electrón o un fotón puedan ser considerados como una partícula, no significa que no puedan ser considerados también como una onda. De hecho, en muchos experimentos la luz se comporta mucho más como una onda que como una partícula.

Esta naturaleza ondulatoria produce algunos efectos interesantes. Por ejemplo, si un electrón que viaja alrededor de un núcleo se comporta como una onda, entonces su posición en un momento dado se vuelve difusa. En lugar de estar en un punto concreto, el electrón se difumina en el espacio. Esta dispersión significa que los electrones no siempre se desplazan como cabría esperar. A diferencia del agua que fluye en una dirección a través de una manguera, los electrones que viajan en forma de corriente eléctrica a veces pueden seguir caminos extraños, especialmente si se mueven cerca de la superficie de un material. Además, los electrones que actúan como una onda pueden atravesar a veces una barrera. Entender este extraño comportamiento de los electrones fue necesario cuando los científicos intentaron controlar cómo fluía la corriente a través de los primeros transistores.

Entonces, ¿qué es, una partícula o una onda?

Los científicos interpretan la mecánica cuántica en el sentido de que una pequeña pieza de material como un fotón o un electrón es tanto una partícula como una onda. Puede ser cualquiera de las dos cosas, dependiendo de cómo se mire o del tipo de experimento que se haga. De hecho, podría ser más exacto decir que los fotones y los electrones no son ni una partícula ni una onda – son indefinidos hasta el mismo momento en que alguien los mira o realiza un experimento, forzándolos así a ser una partícula o una onda.

Esto conlleva otros efectos secundarios: a saber, que una serie de cualidades de las partículas no están bien definidas. Por ejemplo, existe una teoría de Werner Heisenberg llamada Principio de Incertidumbre. Afirma que si un investigador quiere medir la velocidad y la posición de una partícula, no puede hacer ambas cosas con mucha precisión. Si mide la velocidad con cuidado, no puede medir la posición con la misma precisión. Esto no sólo significa que no tiene suficientes herramientas de medición, sino que es algo más fundamental. Si la velocidad está bien establecida, entonces sencillamente no existe una posición bien establecida (el electrón se difumina como una onda) y viceversa.

Albert Einstein no le gustaba esta idea. Cuando se le confrontó con la noción de que las leyes de la física dejaban espacio para tal vaguedad, anunció: «Dios no juega a los dados con el universo». Sin embargo, la mayoría de los físicos aceptan hoy las leyes de la mecánica cuántica como una descripción exacta del mundo subatómico. Y, ciertamente, fue una comprensión profunda de estas nuevas leyes lo que ayudó a Bardeen, Brattain y Shockley a inventar el transistor.

Recursos:
— ¿A dónde va la rareza? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— ¿Qué es la mecánica cuántica? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Exposición de Albert Einstein en el Instituto Americano de Física
— Exposición de Heisenberg en el Instituto Americano de Física