sábado, 1 de julio de 2017

El desayuno cuántico

La física cuántica (o, como la llamamos los físicos, la mecánica cuántica) tiene un halo de misterio y paradoja, una reputación intimidante. Esto hace que se preste a la chantada pseudocientífica, como el caso recientemente denunciado por la Asociación Física Argentina.

Hace poco, en una entrevista radial, un reconocido periodista charlaba con un destacado físico argentino y era palpable el interés de los participantes de la mesa en quedarse con una versión supercondensada de la física cuántica, algo para compartir en el café: "¿La física cuántica? Ya lo sé, estudia las cosas más chiquitas que existen". Todo bien, es cierto. Pero dicho así pareciera que la mecánica cuántica sólo se ocupa de cosas alejadísimas de la vida cotidiana: aceleradores de partículas, la radiación de los agujeros negros, el Big Bang, gatos vivos y muertos a la vez y el misterioso entrelazamiento, que parece magia. Digámoslo de una vez: nada más alejado de la realidad.

Todas las mañanas, cuando preparamos el desayuno, en casa usamos este dispositivo cuántico:


¿Cómo? ¡Eso es un tostador! ¡Maqué cuántico! ¡Es un TOS-TA-DOR!

Sí: es un tostador. Cuántico.

¿Ven cómo brillan los alambres del tostador? ¿Por qué brillan? Porque están calientes. Es algo de lo más familar: un cuerpo caliente brilla. En el siglo XIX los físicos estudiaron este fenómeno conocido desde que los hombres de las cavernas inventaron el asado, y descubrieron cuánto brilla en cada color. Es decir, el espectro de un objeto caliente. Y encontraron algo sorprendente: el espectro es el mismo, ya sea que el cuerpo sea un carbón del asado, un pedazo de vidrio, de hierro, o una estrella. El espectro tiene un "pico" en un cierto color (un máximo donde está el máximo brillo) y brilla menos (de una manera matemática precisa) en los colores de longitud de onda mayor o menor que la del pico. Este tipo de fenómeno universal es irresistible para un físico: tiene que entender de dónde sale. Debe haber algún mecanismo único que lo explique.

El fenómeno es extremadamente sencillo: una cosa (cualquier cosa) caliente. Y de hecho su descripción en el contexto de la física de fines del siglo XIX (la mecánica hoy llamada clásica más el electromagnetismo) es un modelo también muy sencillo. Que fracasa estrepitosamente. Muchas de las mejores mentes científicas atacaron el problema: Stefan, Boltzmann, Wien... Lord Rayleigh (el del color del cielo) y James Jeans descubrieron que la energía radiada por un cuerpo caliente dependía de la temperatura T (fenómeno) y de la longitud de onda λ (la letra griega lambda, o sea el color) así:

E = c × T / λ4

donde c es una constante que no viene al caso. No se asusten, miren la fórmula de nuevo que cualquiera la entiende. El fracaso de este resultado radica en que la longitud de onda aparece dividiendo (y encima elevada a la cuarta potencia). ¿Qué pasa cuando la longitud de onda es más chica? La energía es más grande. ¿Y si es más chica todavía? La energía es todavía más grande. Acá no hay un pico: el brillo sube y sube sin parar para longitudes de onda menores y menores: ultravioleta, rayos X, rayos gamma... Si fuera así, cuando prendemos el fuego para el asado, ¡los carbones nos fulminarían con rayos gamma! No way. El fracaso recibió un nombre digno de una banda de rock: catástrofe ultravioleta.

Max Planck, en 1900, encontró la solución: la cosa caliente emite su energía en "paquetes" (los cuantos que le dan nombre a la teoría), cada uno con una energía que sólo puede ser un múltiplo entero de una energía fundamental (que es además proporcional a la frecuencia, o sea la inversa de la longitud de onda). Le dio esto:


Ahí está el pico. Ésta es la ley de radiación de Planck, que explica el espectro de los cuerpos negros que ya han aparecido por aquí. Hay que decir que la ley de Planck fue una cabeza de playa, y que se necesitarían 30 años para tener una teoría razonable de los fenómenos cuánticos. Y es un edificio que no hemos terminado de construir.

Ahí tenés: la mecánica cuántica no es apenas una rareza de fenómenos microscópicos y exóticos. Necesitamos la física cuántica para entender incluso fenómenos cotidianos. Y no sólo esto. La física cuántica está detrás de TODA la civilización tecnológica en la que vivimos hoy en día. ¿La computadora en la que escribo esto? Un dispositivo cuántico. ¿El teléfono donde lo leés? Dispositivo cuántico. ¿Vas a buscar el resultado de la resonancia magnética de la rodilla? No me hagas empezar. ¿Pagás con tarjeta la compra en el supermercado? Una compra cuántica. ¿La cadena de producción y distribución de lo que compraste? Cuántica aunque nadie lo note. ¿Llegás a casa y prendés la luz? ¿Cómo te creés que la generaron, la manipularon, la distribuyeron? Te cambiás la ropa: a menos que críes tus propias ovejas, hiles la lana y la tejas... cuántica. ¿Ponés un CD? Ni hablar. La física cuántica está tan inextricablemente ligada a nuestra vida que decir que "es lo que gobierna las cosas muy chiquititas" es una exageración innecesaria. Las explicaciones tienen que ser lo más sencillas posibles, pero no más sencillas.


Sé que hay gente interesada en entender la física cuántica a un nivel más profundo que el de la divulgación. Es posible hacerlo sin anotarse en Exactas, o masoquearse con libros de texto. Hay un libro notable de Susskind, Quantum Mechanics: The theoretical minimum. Sólo requiere saber (o haber sabido) un poco de álgebra y de análisis matemático. Hay obras de divulgación muy buenas (como el reciente La física cuántica, de Juan Pablo Paz, en Ciencia que Ladra), pero es realmente el formalismo matemático el que pondrá en foco los conceptos "charlados". Tal vez algún día haga el esfuerzo de dar una explicación matemática pero sencilla del problema de la radiación del cuerpo negro y la solución de Planck. Háganme acordar.

3 comentarios:

  1. Hay un libro llamado "Imposturas Intelectuales" publicado por Alan Sokal que me impactó fuertemente, cosa esperable considerando que estudié una carrera de las ciencias sociales en una universidad latinoamericana.
    Desde entonces he querido profundizar más en aquello donde veo más solidez, en la física, así que te agradezco las recomendaciones realizadas para esta materia. Es más, si algún día te animas a publicar alguna lista de sugerencias más amplia para diversos temas de física, te lo agradecería aun más. Finalmente, sigo fielmente tus publicaciones sábado a sábado. Gracias por tu esfuerzo.

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    1. Gracias, Manuel. Sí, Imposturas Intelectuales es un libro fascinante para cualquiera interesado en la intelectualidad contemporánea, desde las humanidades hasta las ciencias naturales. Estar alertas: hay imposturas en todos lados, eh.

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  2. Muy interesante, Guillermo. Como siempre. Gracias.

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