De izda. a decha en la imagen: Erwin Schrödinger, Max Planck y Werner Heisenberg, figuras clave en la fundación de la mecánica cuántica. Wikimedia commons
Max Planck (1858-1947) transformó radicalmente nuestra comprensión del universo. Schrödinger y Heisenberg apuntalaron los cimientos de la mecánica cuántica
por José Daniel Sierra Murillo, Universidad de La Rioja
A comienzos del siglo XX, la física atravesaba una profunda crisis conceptual. Los modelos clásicos, basados en las leyes de Newton y en el electromagnetismo de James Clerk Maxwell (1831-1879), parecían suficientes para explicar la mayoría de los fenómenos naturales. Sin embargo, ciertos problemas –como la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico o la estabilidad del átomo– desafiaban toda explicación coherente dentro de ese marco.
De esta crisis emergería la teoría cuántica, una de las revoluciones científicas más profundas de la historia, impulsada por figuras que, en muchos casos, no buscaron deliberadamente trastocar los cimientos del conocimiento, pero terminaron haciéndolo.
Una de esas figuras fue Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947), a quien el físico, filósofo e historiador de la ciencia Manjit Kumar se refirió como “revolucionario a su pesar” en una de sus obras, Quantum.
Planck no se consideraba a sí mismo un subversivo científico: era profundamente conservador en sus ideas y esperaba ajustar ligeramente la física clásica, no reemplazarla. Sin embargo, en 1900, mientras estudiaba el problema de la radiación del cuerpo negro (la manera en que un objeto ideal emite energía en función de su temperatura), se vio obligado a introducir una hipótesis radical: la energía no se intercambia de forma continua, como se creía hasta entonces, sino en pequeñas porciones discretas, a las que llamó cuantos de energía.
Planck propuso que la energía emitida o absorbida por un oscilador solo podía tomar valores múltiples de una cantidad mínima proporcional a la frecuencia de la radiación, expresada mediante la fórmula: E = h·f, donde E es la energía, f la frecuencia y h la famosa constante de Planck. Aunque Planck consideraba este paso como un recurso matemático, una “desesperada” solución al problema, su idea marcaría el nacimiento de la teoría cuántica. A partir de este punto, el mundo atómico-molecular dejaría de entenderse como un sistema continuo y predecible bajo las leyes clásicas.
La llegada de Schrödinger
Inspirado por esta nueva visión, Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887–1961) desarrolló, en 1926, una de las formulaciones más influyentes de la teoría cuántica: la ecuación de Schrödinger. Este modelo es considerado estadístico, porque no describe con certeza el comportamiento exacto de las partículas subatómicas, sino que establece una función de onda que contiene toda la información posible sobre un sistema físico desde la perspectiva de la teoría cuántica. A partir de esa función, se pueden calcular probabilidades de encontrar a una partícula en una determinada posición o con un determinado momento lineal (masa por velocidad).
En otras palabras, mientras que en la física clásica se puede saber con exactitud dónde estará un objeto en el futuro si se conocen sus condiciones iniciales, en el modelo estadístico de Schrödinger esto resulta imposible.
El modelo del físico autriaco no dice: “la partícula está aquí”, sino más bien: “hay una cierta probabilidad de que la partícula se encuentre en esta región del espacio”. Introduce una visión del universo gobernado por la probabilidad, y rompe con el “determinismo” heredado de la física clásica de Newton y con el que estaba de acuerdo Albert Einstein (1879-1955), afirmando que Dios “no puede estar jugando a los dados”.
El gato más famoso de la cuántica
El carácter contraintuitivo del modelo estadístico de Schrödinger queda ilustrado habitualmente con el famoso experimento mental del gato de Schrödinger, donde un gato encerrado en una caja se encuentra en un estado paradójico de “vivo y muerto” al mismo tiempo hasta que alguien abre la caja y observa el resultado. Dicho experimento no fue propuesto para apoyar la teoría cuántica, sino para destacar lo extraño que resultaba trasladar las propuestas basadas en el modelo estadístico de Schrödinger al mundo macroscópico. Sin embargo, popularizó dilemas que algunas propuestas de dicho modelo traían consigo.
La incertidumbre de Heisenberg
De manera paralela, otro complemento fue formulado por Werner Karl Heisenberg (1901-1976).
En 1927, Heisenberg presentó su célebre principio de indeterminación (o de incertidumbre), que establece que existen pares de magnitudes físicas que no pueden conocerse simultáneamente con precisión absoluta. El ejemplo más conocido es el de la posición y el momento lineal (masa por velocidad) de una partícula: cuanto más exactamente conocemos una, mayor será la incertidumbre sobre la otra.
Se suele afirmar que este principio no es una limitación de nuestros instrumentos de medición, sino una propiedad fundamental de la naturaleza. Que en el acto de observar influye sobre lo observado. Para medir la posición de una partícula, por ejemplo, necesitamos interactuar con ella (a través de fotones, campos, etc.), y esa interacción altera su estado de movimiento. De este modo, la realidad subatómica dejaría de ser un escenario pasivo y pasaría a ser un sistema dinámico donde el observador formaría parte del fenómeno observado.
La propuesta de Max Planck transformó radicalmente nuestra comprensión del universo. Gracias a ella, se han desarrollado tecnologías tan importantes como los transistores, los láseres, la resonancia magnética, los chips de computadoras, los paneles solares, etc., etc., etc. Un gran legado.