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¿Qué es el entrelazamiento cuántico? una aproximación

Publicado el febrero 6, 2011| Dejar un comentario

Representación de fenómenos cuánticos /Fuente: http://www.inquietudes.wordpress.com

por Julio García.

Uno de los fenómenos más extraños de la realidad física es el llamado entrelazamiento cuántico, concepto del que seguramente han escuchado hablar en programas de televisión, en documentales serios y no tan serios, y a veces hasta en shows de tarot y esoterismo, estos últimos, evidentemente, sin mucha credibilidad.

La noción del entrelazamiento cuántico es una idea nada nueva que se remonta a principio del siglo XX, a 1900, cuando el físico alemán Max Planck, considerado el padre de la teoría cuántica, propuso que no podemos hablar de una cantidad infinita de energía, sino que esta se transmite en pequeñas cantidades o paquetes llamados cuantos. En 1905, Albert Einstein, basándose en los experimentos de otro gran físico, Philipp Lenard, sobre el efecto fotoeléctrico, propuso que las ondas de luz se pueden propagar como ondas y como partículas al mismo tiempo. De hecho, propuso al fotón como la partícula portadora de la luz.

Ahora bien: el término de entrelazamiento cuántico fue introducido por Einstein, Podolsky y Rosen en 1935 (paradoja EPR), y en términos llanos puede describirse como la posibilidad de que dos objetos que se encuentran físicamente separados, inclusive por millones y millones de kilómetros, se pueden comunicar entre sí. En otras palabras, y por increíble que esto pueda parecer al sentido común, dos objetos pueden compartir la misma información y alterar su estado si uno de los dos objetos es afectado. Hay que aclarar que estos experimentos se realizan hoy en día con fotones de luz -antes se hacían con electrones- que nacen de una misma fuente (pareciera como si esta fuente determinara el tipo de información y movimiento que un par de fotones tendría). Y tal vez lo más impresionante de todo es que el intercambio de información entre las partículas se transmite a la velocidad de la luz: ¡ a 300,000 km/s !, por que, recordemos, la información también es una forma de energía, o bien requiere de esta para poderse transportar de un sitio a otro.

Por otra parte, el entrelazamiento cuántico está ligado a su vez con otro gran concepto de la mecánica cuántica: el de la incertidumbre (propuesto por Werner Heisenberg a mediados del siglo XX), mediante el cual se afirma, y se demuestra, que no podemos medir al mismo tiempo la velocidad y la posición de una partícula en un instante dado, es decir, que cuando medimos la posición, la velocidad de esa partícula se cancela, o viceversa, por tanto, una de las características fundamentales del universo cuántico, del reino de lo subatómico, es que nunca podemos saber con certeza en donde están los objetos, porque el hecho de medir o de observar se traduce, paradójicamente, en lo inmedible e inobservable, en lo no localizable.

Sin embargo, todavía queda mucho por aprender acerca del entrelazamiento cuántico y en general de la mecánica cuántica (que aún sigue siendo una teoría), aunque algunos expertos auguran que de aplicarse a la vida cotidiana, el entrelazamiento podría crear una revolución que se concretaría en situaciones que hoy pertenecen a la ciencia ficción tales como la computación cuántica, la criptografía cuántica y la teletransportación.

A continuación pueden ver un video donde se explica de manera muy didáctica que es el entrelazamiento cuántico y algunos otros conceptos fundamentales para entender un poco mejor la mecánica cuántica.

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Los colores de la luz y el sonido: el efecto Doppler

Publicado el junio 8, 2010| Dejar un comentario

por Julio García.

Una de las interrogantes que hoy en día nos seguimos planteando con asombro es ¿por qué la luz tiene colores y no es puramente blanca como por lo regular creemos? Las primeras ideas para contestar a esta pregunta se remontan a las investigaciones que realizó Isaac Newton, sobre la naturaleza de la luz, en
1670, cuando, mediante un prisma triangular, “descompuso” un haz de luz solar en varios colores, provocando un efecto óptico parecido a cuando vemos un arcoíris en una tarde lluviosa. Este fenómeno físico es conocido como dispersiónrefractiva, y sucede cuando la luz blanca, que representa la suma de todos los colores, es desviada por un objeto determinado: puede ser un prisma, las gotas de lluvia que se interponen entre los rayos del Sol y nuestra retina, las nubes cargadas de polvo en una puesta de Sol en un día caluroso, o bien cualquier objeto que tenga la capacidad para mostrarnos cómo son los colores de la luz, como una lupa o un vaso de cristal colocado estratégicamente para obtener este efecto.

Si Newton le mostró al mundo que la luz blanca puede descomponerse en una gama de colores que va, por un lado, del blanco al azul y del blanco al rojo, todavía queda responder a la interrogante de ¿por qué la luz tiene esos colores? Una de las primeras respuestas la planteó más de doscientos años después del fallecimiento de Newton, el físico alemán Christian Doppler, quien en 1842, en su trabajo traducido al inglés On the coloured ligth of the binary stars and some others stars of the heavens, propuso que los colores de la luz son consecuencia de un fenómeno muy similar al que sucede con las ondas del sonido cuando éstas se acercan o se alejan de un punto de referencia determinado. Doppler estabecía con esto que, además, la luz está formada por ondas, que tienen una naturaleza electromagnética, al igual que las ondas sonoras. ¿Pero cómo podemosestablecer en términos físicos este paralelismo entre ondas de luz y ondas de sonido?

El escenario es fácilmente imaginable y lo podemos demostrar nosotros mismos a través de nuestra experiencia cotidiana: si son un tanto curiosos, les recomiendo que cuando vayan en carretera detengan su vehículo y bajen de él. A continuación sitúense al pie del camino y esperen a que pase un coche que, seguramente, irá a alta velocidad. A continuación pongan atención al sonido que producirá el motor del vehículo y verán que éste experimentará notables cambios cuando el vehículo en cuestión se acerque al punto donde están ustedes y cuando se aleje. Cuando el vehículo se acerca, el sonido producido por el motor se tornará un poco más agudo, mientras que, cuando se aleja, éste se tornará más grave. ¿Pero a qué se deben estos cambios tan repentinos en el tono del sonido si el vehículo no ha cambiado de motor en su trayecto? La respuesta tiene que ver con el hecho de que, cuando el vehículo se acerca a nosotros, las ondas sonoras que emite el motor son más cortas que cuando se aleja y cuando las ondas son más cortas, por consiguiente emiten un sonido más agudo debido a que su longitud se reduce. En cambio, cuando el vehículo se aleja del punto de referencia (que somos nosotros) entonces la longitud de dichas ondas se hace más largo provocando que el sonido, entonces, se torne más grave para nuestros oídos.

Ahora bien, pese a que la luz y el sonido se propagan por el espacio de manera distinta, ya que la luz no requiere de un medio como el sonido que lo hace a través del aire, ambos comparten algo en común: una naturaleza ondulatoria de la cual quedaron intrigados tanto Newton como Doppler, en el sentido de que, el ejemplo de la carretera, puede servir perfectamente para representar no solamente el comportamiento ondulatorio del sonido, sino también el de la luz, y no solo eso, sino comprender también porqué la luz tiene colores. ¿Por qué? Porque si en nuestro ejemplo cambiásemos sonido por luz, y si en el cofre de aquel vehículo estuviese instalado un reflector capaz de generar varios watts de potencia, y si tuviésemos además un aparato sofisticado que nos permitiese percatarnos de lo que sucede, ya que nuestros ojos solamente son capaces de “ver” en determinadas frecuencias, observaríamos que cuando el coche se acerca nuevamente a nosotros, la luz proveniente del reflector instalado en el cofre se tornaría azul, mientras que, cuando el coche se alejase nuevamente de nosotros, entonces se tornaría roja.

Este fenómeno sucede porque, al igual que con las ondas sonoras, cuando las
ondas lumínicas se comprimen hacia un punto de referencia, la longitud de onda
se torna más corta, posee por consiguiente más cantidad de energía, y por tanto, tiende a los colores azules. En cambio, cuando las ondas lumínicas se alejan del
punto de referencia, la longitud de onda se hace más larga, lo cual provoca una
pérdida de energía que se traducirá en un color rojo. En suma, cuando las ondas
lumínicas son más cortas, paradójicamente tienen mayor energía y serán azules, y viceversa: mayor longitud de onda se traducirá en una menor cantidad de energía y al final obtendremos tonos de luz más rojos. Por lo tanto, comprender el comportamiento de la luz a través de los cambios que experimenta en la longitud de onda, es entender al mismo tiempo por qué razón ésta se puede observar a partir de varios colores que son consecuencia, como ya mencionábamos, de la refracción de la luz blanca cuando pasa por un objeto determinado.

A este efecto físico, que se encuentra en la naturaleza de la luz y del sonido también, se le conoce como efecto Doppler y es utilizado en muchas áreas de la ciencia como la medicina (para obtener ultrasonidos que traducen información sonora en información visual para dar un diagnóstico del estado del feto), en astronomía (para determinar la distancia a la que se encuentran estrellas y galaxias o para conocer la edad del universo), en física (para ocuparnos de la naturaleza ondulatoria de la luz que, posteriormente, gracias a los descubrimientos de Planck, se habla de una naturaleza corpuscular de la luz y que fue el parteaguas para el nacimiento de la física cuántica), y en la aeronáutica civil y militar (para detectar, a través de radares, la posición de un avión o de un misil en el aire), solo por mencionar algunas aplicaciones.

En definitiva, comprender la naturaleza de la luz significa adentrarnos a un conocimiento más profundo de la física como lo hicieron aquellos hombres que dieron su vida por el entendimiento de estos fenómenos que, aún hoy en día, nos deben de seguir causando asombro.

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Nuestro universo cuántico: de cómo la naturaleza juega al caos

Publicado el junio 6, 2010| Dejar un comentario

por Julio García.

Uno de los siglos más productivos para la física, donde se
experimentaron mayores cambios y descubrimientos, fue el siglo XX,
específicamente la primera década de ese tiempo que ya se fue pero que nos sigue determinando, cuando Max Planck y Albert Einstein revolucionaron lo conocido hasta entonces, para fundar una nueva forma de observar la
realidad.

La relación que une a estos dos personajes va más allá del hecho de que ambos hayan nacido en Alemania, decidieran ejercer la misma profesión y hayan sido galardonados con el Premio Nobel. A Planck, (1858-1947) se le considera el padre de la física cuántica y a Einstein (1879-1955) el padre de la Teoría de la Relatividad. Aunque uno de sus trabajos más importantes, el cual abordaremos aquí y al cual no se le otorga la suficiente relevancia, es su Teoría del Efecto Fotoeléctrico.

Primero debemos decir que la mecánica cuántica, o física cuántica como también se le conoce, está conformada por un conjunto de postulados teóricos que le dan sentido aquello que habita en el mundo del microcosmos. Hace referencia al universo subatómico que no podemos ver a simple vista, en definitiva: al comportamiento de las partículas elementales que conforman todo lo que nos rodea, incluyendo a nosotros mismos.

En 1901, Max Planck descubrió, estudiando un fenómeno físico muy interesante llamado radiación del cuerpo negro, que toda la materia que conocemos emite radiación, que la energía emitida por todos los cuerpos no es infinita (no es continua), sino que está limitada a transmitirse a través de pequeños paquetes de ondas o cuantos de energía. ¿Pero a qué tipo de energía se refería Planck en específico? Evidentemente, a aquella energía que emite la materia, que se expresa en forma de ondas electromagnéticas y que puede ser percibida por nuestros sentidos como luz. Al cuerpo matemático que le da sentido a esta explicación se le conoce como Constante de Planck y, como veremos, sirvió a Albert Einstein para plantear, luego, la Teoría Especial de la Relatividad.

Ahora bien, durante su estancia en la Oficina de Patentes de Berna, Suiza, Einstein quedó intrigado sobre los trabajos previos de Planck sobre la idea que la energía podía transmitirse en forma de partículas y no necesariamente en forma de ondas como se creía hasta entonces. Fue en estos años, nos referimos a 1905, cuando propuso su teoría del efecto fotoeléctrico, que, por cierto, le valió el Premio Nobel de Física en 1921. Con este original trabajo, Einstein propuso, básicamente, que la luz es transmitida en pequeños paquetes llamados fotones, que estos fotones son, en resumidas cuentas, las partículas de la luz. Por tanto, concibiendo a la luz como una partícula, una partícula cuantificable con energía definida, se puede comprender mejor por qué las partículas de la luz pueden interaccionar con una de las partículas que conforman a los átomos: el electrón.

De hecho, cuando miramos un objeto cualquiera, lo que en realidad estamos percibiendo de ese objeto es la interacción de la luz con la materia, aquella interminable y constante lluvia de fotones que tienen la capacidad de “excitar” a los electrones que violentamente son expulsados de los átomos. Con la ausencia de estas interacciones, probablemente estaríamos segados al mundo de la luz y, por tanto, al mundo de los objetos y la materia que nos rodea.

Pero existe un fenómeno aun más intrigante que tiene que ver con los fundamentos, con el sentido más profundo de la física cuántica. Éste fenómeno, que es la base con la que Einstein estableció la Teoría del Efecto Fotoeléctrico, tiene que ver con la dualidad caprichosa con la que se manifiesta la luz. Con el hecho de que pueda comportarse, como ya decíamos, como partícula, pero también como onda, dando lugar a la incertidumbre cuántica planteada por otro físico alemán, Werner Heisenberg, quién en la década de los XX del siglo pasado concluyó que no se puede medir al mismo tiempo la velocidad y la posición de una partícula en el mismo instante, ya que, si conoces la velocidad de una partícula determinada, desconocerás su posición, y viceversa.

Por otra parte, comprender la incertidumbre cuántica con la que se manifiesta la materia y la energía a escala subatómica (dos conceptos equivalentes según lo demostrará Albert Einstein con su famosa ecuación E=M.C2), es uno de los grandes retos que la Física tiene por delante todavía, con todo y que muchos insistan que la labor de los físicos está concluida, inclusive que aseveren que la física ha llegado a su ocaso, y que la comprensión profunda de la realidad la debamos dejar en manos, únicamente de filósofos y metafísicos.

Posiblemente la incomprensión de la física cuántica sea, paradójicamente, producto del uso de la razón y de la lógica, porque en ese universo que no vemos, entre más incomprensible es la realidad más comprensible es, pero desafortunadamente no para los humanos. En otras palabras, el método científico no encuentra explicaciones donde el caos y la incertidumbre, lo inmedible y lo incuantificable reinan. Y no por el hecho de que los métodos que utilizamos sean erróneos, o estén mal planteados, sino por ese comportamiento caótico y azaroso inherente a la propia estructura de la naturaleza. Esperemos equivocarnos con esta afirmación, y esperar a que surjan físico de la talla de Einstein o Planck, que le dieron un nuevo sentido a la realidad, probablemente intuyéndola desde el plano filosófico para llevarla luego a los terrenos de la ciencia.

Porque, a fin de cuentas, la ciencia sin un trasfondo filosófico que le de sustento, es como una máquina que carece de los engranajes necesarios para moverse, para tener sentido.

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De cómo Dios juega a los dados: la revolución cuántica

Publicado el junio 5, 2010| Dejar un comentario

por Julio García.

La semana pasada nos referíamos en este mismo espacio a la revolución
que experimentó la física a principios del siglo XX, y que, indudablemente dio luz para entender la realidad desde una nueva perspectiva.

También decíamos que, una de las transformaciones más evidentes se dio en cuanto a la comprensión del microcosmos: aquel mundo que no podemos palpar ni observar directamente, pero que indudablemente nos determina porque en ese mundo de lo infinitamente pequeño se encuentran los ladrillos fundamentales que le dan sentido a nuestra existencia, los átomos y las partículas subatómicas.

Albert Einstein y Marx Planck (ambos de origen alemán), fueron los artífices de esta revolución del pensamiento que dejó una huella indeleble en el ámbito filosófico e intelectual de la época. Una tiempo que estuvo marcado por conflictos bélicos en una Europa que comenzaba a convulsionarse, a desgarrarse internamente, por el odio racial hacia los judíos y que orilló a Einstein y a muchos otros físicos e intelectuales a emigrar hacia los Estados Unidos en 1932.

Sin embargo, ligar la revolución cuántica únicamente con Einstein y Planck resultaría imperdonable, ya que, esta revolución, continúa presente hoy en día, de tal suerte que sería necesario referirse a personajes como Werner Heisenberg (1901-1976), para tratar de comprender con más detalle qué es lo que realmente está escondido, cuales son los misterios intrínsecos del mundo subatómico.

A Heisenbeg, también de origen alemán, y quien fungió como director del Instituto de Física y Astrofísica de Gotinga en Alemania, por cierto, se le atribuye aquella conocida frase que dice que “no se puede medir al mismo tiempo la velocidad y la posición de una partícula en un mismo momento”, que significa que cuando tratamos de determinar alguno de estos dos factores, y que son el principio para localizar partículas en el espacio y el tiempo desde el punto de vista de la mecánica clásica y determinista, desconocemos el factor adyacente, es decir: cuando determinamos la velocidad a la que viaja una partícula, desconocemos entonces su posición, y viceversa, como si el mundo subatómico se empeñara siempre en hacer pasar un mal rato a aquellos obsesionados observadores.

A este comportamiento de indeterminación cuántica intrínseco en la naturaleza se le conoce como principio de incertidumbre el cual fue propuesto por Heisenberg. Pero ahora se preguntarán: ¿Incertidumbre en qué o de qué? Evidentemente incertidumbre a la hora de conocer las medidas de estos dos factores mencionados, la velocidad y la posición de una partícula, pero el concepto en sí mismo nos lleva a plantearnos otra pregunta aún más compleja: ¿Es posible que nunca logremos, mediante la lógica y la razón humana que le dan sentido al método científico, poder desenmarañar y comprender en profundidad estos principios esquivos con que se manifiesta la naturaleza?

Hace no muchos años nadie concebía en su cabeza la idea de que el universo se expande y que tuviese un principio, de que en el centro de las galaxias existiesen inmensos agujeros negros devoradores de estrellas. Tampoco se pensaba que los átomos fueran los constituyentes de la materia, ni que existiesen partículas aún más pequeñas como los quarks o los gluones (constituyentes, a su vez, de los átomos).

La falta de proximidad con estos fenómenos mencionados se debió, en su momento, a la ausencia de instrumentos sofisticados (como los potentes telescopios y radiotelescopios con lo que hoy contamos), así como a la carencia de estructuras matemáticas (de teoría) que nos ayudasen a definir qué son los quarks o los gluones, por ejemplo. Pero ahora, creemos, el verdadero problema radica en esa obsesión humana por medir, por entender mediante la razón, lo que intrínsecamente es inmedible e incuantificable. En otras palabras, el método científico ha sido una herramienta valiosísima para revelar fenómenos extraordinarios respecto al comportamiento de la realidad, inclusive para entender el comportamiento humano desde la perspectiva individual y como especie, pero hoy, nuestro método resulta insuficiente para comprender en profundidad el comportamiento cuántico de lo infinitamente pequeño. Será necesario entonces ¿replantear los métodos de observación? o será más bien que ¿el mismo acto de observar y de medir, paradójicamente, implica perder la noción de las cosas como un todo?

Y es que el acto de observar la realidad, de medirla, juzgarla e interpretarla, lleva implícito su propia parcialización, porque cada individuo la interpretará de manera distinta en función de sus experiencias previas o de cómo esté constituía su estructura neuronal.

Desde la perspectiva cuántica, observar a la realidad en partes, dividida, está ligado invariablemente con el acto de medir e interpretar, pese a que más allá de la medida y la interpretación, la naturaleza se manifieste en su estado más puro, más virgen, ajena a los sentidos y la mente humana.

Por otra parte, desde el plano filosófico, han surgido conceptos tales como el de lógica borrosa o lógica difusa, que en la práctica plantea el surgimiento de la computación cuántica, donde una nueva era de máquinas inmensamente más potentes que las actuales, no precisarán del código binario (basado en el lenguaje de los unos y de los ceros) para procesar y generar información. Serían ordenadores más inteligentes porque funcionarían en un estado cuántico, es decir, tendrán la capacidad de procesar datos de manera holística: centrándose en el todo y no en la parte; y muy probablemente serán capaces también de imitar a nuestros cerebros, que en su esencia más profunda trabajan desde una perspectiva cuántica. Tal vez por ello tampoco podremos entendernos a nosotros mismos jamás, ya que nuestra propia lógica tendría que seguir el tipo de esquema de pensamiento difuso, el de la lógica borrosa, de cómo Dios juega a los dados.

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