CuánticaQuantum
1900 – 19271900 – 1927
La energía viene en paquetes, las partículas se comportan como ondas y la física solo puede dar probabilidades.Energy comes in packets, particles behave like waves and physics can only give probabilities.
En lo muy pequeño la naturaleza no es una máquina. Es una tirada de dados con reglas exactas.In the very small, nature is not a machine. It is a roll of dice with exact rules.
Un acto de desesperaciónAn act of desperation
En diciembre de 1900 Max Planck, físico conservador de Berlín, da con una fórmula para la luz que emite un cuerpo caliente. Para ello supone que la energía se intercambia en paquetes indivisibles, cuantos. Años después lo llamó un acto de desesperación. En 1905 Einstein propone que la luz misma está hecha de esos paquetes.In December 1900 Max Planck, a conservative Berlin physicist, arrives at a formula that correctly describes the light emitted by a hot body. To get it he had to assume that energy is exchanged in indivisible packets, quanta. Years later he called it an act of desperation. In 1905 Einstein proposes that light itself is made of those packets.
Bohr aplica la idea al átomo en 1913. Entre 1925 y 1927 Heisenberg, Pauli y Dirac, veinteañeros, junto a Schrödinger y Born, construyen la mecánica cuántica. En octubre de 1927 el Congreso Solvay de Bruselas reúne a todos, y Einstein y Bohr empiezan una discusión que durará treinta años.Bohr applies the idea to the atom in 1913. Between 1925 and 1927 a generation in their twenties, Heisenberg, Pauli, Dirac, together with Schrödinger and Born, builds quantum mechanics. In October 1927 the Solvay Conference in Brussels gathers them all, and Einstein and Bohr begin an argument that will last thirty years.
Antes: todo es continuoBefore: everything is continuous
La energía puede tomar cualquier valor, la materia está hecha de partículas y la luz de ondas. Cada cosa tiene en cada instante una posición y una velocidad precisas, conozcámoslas o no. El demonio de Laplace sigue en pie.Energy can take any value, matter is made of particles and light of waves. Each thing has at every instant a precise position and velocity, whether we know them or not. Laplace's demon still stands.
El giro: saltos y probabilidadesThe turn: jumps and probabilities
La energía está cuantizada: los electrones saltan entre niveles sin pasar por el medio. Luz y materia son a la vez onda y partícula, según cómo se las interrogue. La teoría no predice dónde aparecerá un electrón, solo con qué probabilidad.Energy is quantised: electrons jump between levels without passing through the middle. Light and matter are both wave and particle, depending on how they are questioned. The theory does not predict where an electron will appear, only with what probability.
Después: límites al conocerAfter: limits to knowing
Heisenberg muestra que posición y velocidad no pueden fijarse a la vez con precisión arbitraria. Bohr habla de complementariedad: descripciones que se excluyen y se necesitan. El observador ya no puede pensarse fuera de lo que observa.Heisenberg shows that position and velocity cannot both be fixed with arbitrary precision. Bohr speaks of complementarity: descriptions that exclude and require each other. The observer can no longer be thought of as outside what is observed.
Cada partícula llega sola, a un punto imprevisible. Las franjas de una onda aparecen recién entre todas.Each particle arrives alone, at an unpredictable point. The fringes of a wave appear only among them all.
Electrones de uno en unoElectrons one at a time
En 1989 un equipo de Hitachi dirigido por Akira Tonomura envió electrones de a uno por una doble rendija. Cada uno dejaba un punto en la pantalla, al azar. Con miles de puntos aparecían franjas de interferencia: cada electrón, de algún modo, había pasado por las dos rendijas.In 1989 a Hitachi team led by Akira Tonomura sent electrons one at a time through a double slit. Each left a dot on the screen, at random. With thousands of dots, interference fringes appeared: each electron had somehow gone through both slits.
El Sol atraviesa paredesThe Sun walks through walls
Los protones del centro del Sol no tienen energía suficiente, según la física clásica, para vencer su repulsión y fusionarse. Lo hacen por efecto túnel: una probabilidad cuántica de cruzar una barrera imposible. Sin ella el Sol no brillaría.The protons at the Sun's core do not have enough energy, according to classical physics, to overcome their repulsion and fuse. They do it by tunnelling: a quantum probability of crossing an impossible barrier. Without it the Sun would not shine.
El chip de tu teléfonoThe chip in your phone
El transistor, inventado en 1947, el láser, la memoria flash y los LED se diseñan con mecánica cuántica. Se calcula que una parte enorme de la economía actual depende de dispositivos que sería imposible concebir sin ella.The transistor, invented in 1947, the laser, flash memory and LEDs are designed with quantum mechanics. A huge share of today's economy is estimated to depend on devices impossible to conceive without it.
Berlín · 1900Berlin · 1900
Un horno que la física no sabe explicarAn oven physics cannot explain
La industria alemana quería medir con precisión la luz de las lámparas y los hornos. Los experimentos daban una curva clara. La física clásica, aplicada con todo rigor, predecía otra cosa absurda: que un cuerpo caliente emitiría energía infinita en el ultravioleta. Más tarde se la llamó «catástrofe ultravioleta».German industry wanted to measure precisely the light of lamps and furnaces. The experiments gave a clear curve. Classical physics, applied rigorously, predicted something absurd: that a hot body would emit infinite energy in the ultraviolet. It was later called the “ultraviolet catastrophe”.
Había más grietas. Cada elemento emite luz solo en ciertos colores, como un código de barras. Y según el electromagnetismo de Maxwell, el electrón que gira en el átomo de Rutherford debería perder energía y caer al núcleo en una fracción de segundo. La materia, en teoría, no podía ser estable.There were more cracks. Each element emits light only in certain colours, like a barcode. And according to Maxwell's electromagnetism, the electron circling in Rutherford's atom should lose energy and fall into the nucleus in a fraction of a second. Matter, in theory, could not be stable.
La incertidumbre no es torpezaUncertainty is not clumsiness
No se debe a instrumentos imperfectos. Es una propiedad de la teoría: un electrón no tiene a la vez una posición y una velocidad perfectamente definidas que estemos fallando en medir.It is not due to imperfect instruments. It is a property of the theory: an electron does not have a perfectly defined position and velocity at the same time that we are failing to measure.
El «observador» no es una concienciaThe “observer” is not a consciousness
Para que el comportamiento ondulatorio desaparezca basta cualquier interacción que deje registro: una molécula de aire, un fotón. No hace falta que nadie mire. Lo que se discute es cómo surge un resultado único, no si la mente crea la realidad.For wave behaviour to disappear, any interaction that leaves a record is enough: an air molecule, a photon. No one needs to look. What is debated is how a single outcome arises, not whether the mind creates reality.
No significa que todo es posibleIt does not mean anything goes
La mecánica cuántica es la teoría mejor verificada de la historia: algunas de sus predicciones coinciden con el experimento en diez cifras decimales. Lo que es incierto es el resultado individual, no la teoría.Quantum mechanics is the best-tested theory in history: some of its predictions match experiment to ten decimal places. What is uncertain is the individual outcome, not the theory.
La mecánica cuántica es muy imponente. Pero una voz interior me dice que todavía no es la verdadera. La teoría rinde mucho, pero apenas nos acerca al secreto del Viejo. Yo, en todo caso, estoy convencido de que Él no juega a los dados.Quantum mechanics is very imposing. But an inner voice tells me that it is not yet the real thing. The theory yields a lot, but it hardly brings us any closer to the secret of the Old One. I, at any rate, am convinced that He does not throw dice.Albert Einstein · carta a Max Born, 4 de diciembre de 1926Albert Einstein · letter to Max Born, 4 December 1926
Born acababa de proponer que la onda de Schrödinger no describe dónde está el electrón, sino la probabilidad de encontrarlo. Einstein, que había abierto la puerta cuántica en 1905, se negó a cruzarla. Born recibió el Nobel por esa interpretación en 1954, cuando Einstein ya había muerto.Born had just proposed that Schrödinger's wave does not describe where the electron is, but the probability of finding it. Einstein, who had opened the quantum door in 1905, refused to walk through it. Born received the Nobel for that interpretation in 1954, by which time Einstein had died.
Dónde se vuelve incómodoWhere it gets uncomfortable
Funciona, pero ¿qué dice?It works, but what does it say?
Cien años después no hay acuerdo sobre qué describe la teoría. Copenhague, muchos mundos, ondas piloto: interpretaciones que predicen lo mismo y cuentan mundos distintos. Einstein creyó en 1935 que el entrelazamiento probaba que la teoría estaba incompleta. Los experimentos que confirmaron el entrelazamiento recibieron el Nobel en 2022.A hundred years later there is no agreement on what the theory describes. Copenhagen, many worlds, pilot waves: interpretations that predict the same things and tell of different worlds. Einstein believed in 1935 that entanglement proved the theory incomplete. The experiments that confirmed entanglement received the Nobel in 2022.
Dónde se usa hoyWhere it is used today
Una segunda revoluciónA second revolution
La primera revolución cuántica nos dio el transistor y el láser. La segunda intenta usar directamente la superposición y el entrelazamiento: computadoras cuánticas, comunicaciones imposibles de interceptar sin dejar rastro, sensores de precisión extrema.The first quantum revolution gave us the transistor and the laser. The second tries to use superposition and entanglement directly: quantum computers, communications that cannot be intercepted without leaving a trace, sensors of extreme precision.
¿Qué cambia en algo cuando lo miras?What changes in something when you look at it?
- ¿Qué aspecto tuyo solo aparece según cómo te pregunten?Which side of you only appears depending on how you are asked?
- ¿Qué dos descripciones de una misma cosa te parecen incompatibles y necesarias?Which two descriptions of the same thing seem to you incompatible and necessary?
- ¿Toleras usar algo que funciona aunque nadie sepa bien qué significa?Can you bear using something that works even if no one quite knows what it means?
- ¿Qué patrón ves en el conjunto que no ves en cada caso?What pattern do you see in the whole that you do not see in each case?
- ¿Dios juega a los dados, o somos nosotros los que no vemos el tablero?Does God play dice, or is it we who cannot see the board?
Lecturas complementariasFurther reading
- Werner Heisenberg — La parte y el todoPhysics and Beyond
- Richard P. Feynman — Electrodinámica cuántica: la extraña teoría de la luz y la materiaQED: The Strange Theory of Light and Matter
- Manjit Kumar — Quántum: Einstein, Bohr y el gran debateQuantum: Einstein, Bohr and the Great Debate
- Carlo Rovelli — HelgolandHelgoland
- John S. Bell — Lo decible y lo indecible en mecánica cuánticaSpeakable and Unspeakable in Quantum Mechanics
… quedan dos teorías espléndidas que no se hablan entre sí. Y lo que sigue abierto es más de lo que parece.… two splendid theories remain that do not speak to each other. And what remains open is more than it seems.