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¿Crees que la Luna no está allí cuando no miramos?

El principio de la superposición es uno de los que originan las situaciones más chocantes en la física cuántica.

David Wineland y Serge Haroche.
David Wineland y Serge Haroche.

¿Crees realmente que la Luna no está allí cuando no miramos? Esta frase, atribuida a Einstein, refleja la perplejidad que producen algunas de las predicciones de la física cuántica. Esta teoría, descubierta a principios del siglo pasado, describe toda la luz y la materia que nos rodean. Como toda teoría de la física, está basada en una serie de principios y fórmulas que nos permiten predecir multitud de fenómenos con una precisión exquisita. Pero la física cuántica es mucho más que un conjunto de ecuaciones para describir la naturaleza; también nos da una visión de ella muy distinta de la que teníamos hasta ahora. Pioneros de su desarrollo, como Einstein o Erwin Schrödinger, ya se dieron cuenta de que esos mismos principios que establecen la composición de la materia y su interacción con la luz, dan lugar a extrañas paradojas y preguntas como la atribuida a Einstein sobre la posición de la Luna.

La física cuántica siempre se nos presenta como algo misterioso, imposible de entender, y plagada de mitos que son utilizados para vendernos todo tipo de artilugios con propiedades esotéricas o para explicar fenómenos extraños. Pero, más allá de todo este folclore y de su uso por más de un aprovechado, la física cuántica predice fenómenos extraordinarios en el mundo microscópico que pueden ser verificados experimentalmente. Estos experimentos requieren nuevas técnicas y años de preparación y desarrollo. Precisamente, el francés Serge Haroche y el estadounidense David Wineland han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2012 por el desarrollo de dichas técnicas y la observación de muchos de estos fenómenos.

Fuente: Nobelprize.org
Fuente: Nobelprize.org

El principio de la superposición es uno de los que originan las situaciones más chocantes en la física cuántica. Dice que, si un objeto puede estar en dos situaciones distintas, también puede estar en una superposición de ellas: vaya, que puede hacer dos cosas distintas a la vez. Esto no es tan raro como parece.

Las ondas electromagnéticas (la luz) o cualquier otro tipo de ondas (como las olas del mar) cumplen este principio. La luz del Sol que entra en una habitación con dos ventanas, pasa por las dos ventanas a la vez. Lo que es extraño, y levantó acaloradas discusiones entre los físicos del siglo XX, es que a la materia le pueda ocurrir lo mismo. Un átomo puede, en principio, pasar por dos sitios a la vez. O uno de sus electrones puede circular alrededor de un núcleo en dos órbitas simultáneamente. Suena raro, pero si se toman en serio los principios de la física cuántica, debe ser verdad. Cabe preguntarse: si un átomo puede estar en una superposición, ¿por qué no también una molécula, una piedra, o incluso un animal? Schrödinger se preguntaba por qué no es posible, pues, tener un gato vivo y muerto a la vez. Hoy sabemos que esto no es posible. Las superposiciones cuánticas desaparecen si los objetos no están completamente aislados. Es muy difícil aislar un átomo, más aún una molécula, y no digamos un minino. Aislar quiere decir que no interaccione con nada: otro átomo, molécula o fotón.

En esto radica la dificultad de los experimentos de Wineland y Haroche. El primero atrapa un átomo cargado eléctricamente (un ion) en el espacio y quita todo lo que le rodea. Con luz de un láser lo empuja y, siguiendo las pautas establecidas por las leyes de la física cuántica, lo pone en dos sitios a la vez. También puede hacer lo mismo con los electrones que orbitan alrededor del átomo, e incluso con varios átomos. El segundo atrapa fotones entre dos espejos y envía átomos para que los absorban o emitan, poniéndolos en una superposición cuántica. Luego observa cómo la superposición desaparece con el tiempo y que cuantos más fotones participan, más rápido se extingue.

Es muy difícil aislar un átomo, más aún una molécula, y no digamos un minino. Es el mérito de los premiados

Estos experimentos han marcado un antes y un después en nuestro dominio del mundo cuántico y abren nuevas posibilidades tecnológicas. Wineland ya ha construido el reloj más preciso que existe usando sus iones atrapados. Además, ha conseguido demostrar experimentalmente los principios en los que se cimentan los ordenadores cuánticos, unos aparatos que, si llegamos a construir, permitirán hacer cálculos inimaginables utilizando el principio de superposición cuántica.

Científicos como Haroche y Wineland no surgen por generación espontánea, sino que provienen de laboratorios con gran tradición. Ambos hicieron la tesis doctoral con otros galardonados con el Nobel (Claude Cohen Tannudji, 1997, y Norman Ramsey, 1989), quienes a su vez la hicieron con otros premiados (Alfred Kastler, 1966, e Isodor Rabi, 1944). Sus centros de investigación han permanecido al más alto nivel muchos años gracias al apoyo de sus respectivos países. Esos países están orgullosos de sus flamantes premiados y saben que, con el tiempo, recogerán los frutos (científicos, educativos y económicos) de su investigación, de la misma forma que lo han hecho con sus anteriores laureados.

Ignacio Cirac dirige el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania).