Los Misterios de la Mecánica Cuántica

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En alguna oportunidad debes haber escuchado el concepto “Mecánica Cuántica”.

Esta rama de la física aborda un aspecto observable de la realidad, el cual es muy curioso y poco intuitivo para nosotros.

Uno de los experimentos más famosos, el llamado “Experimento de la Doble Rendija” de Thomas Young en 1801, demuestra empíricamente que la luz tiene un comportamiento de onda.

Un haz de luz que cruza por dos delgadas rendijas, al tener un comportamiento de onda genera el efecto donde, al igual que olas en el mar, cuando los puntos altos de las ondas se juntan con otras, se duplica su magnitud o “altura”.

A la inversa, un punto bajo con un punto alto se anulan.

Esto genera el llamado “patrón de interferencia” del experimento.

Mirado desde arriba, sería algo así:

El patrón de líneas resultante responde a la llamada “función de onda”, es decir la distribución de probabilidad de las posibles posiciones de las partículas sobre la pantalla.

Hasta ahí… todo bien. Suena razonable, y hasta intuitivo por el efecto de “difracción” de la luz.

Pero el experimento se pone raro cuando tratamos de “mirar” por dónde pasan los fotones, con un sensor observando cada rendija.

En el momento en que activamos los sensores, la luz deja de comportarse como onda, y pasa a actuar netamente como partícula, como si fuese una pelotita que a veces pasa por una rendija, y a veces por la otra, por lo que se generan sólo dos líneas en la pantalla:

En palabras sencillas, por alguna razón totalmente ajena a nuestro raciocinio tradicional, cuando el investigador “trata de ver lo que sucede” por medio de un sensor, la luz “se da cuenta que la están mirando”. Y cambia su comportamiento.

🤯

Este efecto es llamado “colapso de la función de onda”.

He estado leyendo al respecto por varios años, en parte motivado por la imaginación de los escritores de novelas de ciencia ficción, pero también seducido por esta teoría que algunos se atreven a plantear que explica aspectos metafísicos de nuestras vidas.

¿Teoría concreta o superstición? Veamos los argumentos, y cómo nos puede llegar a impactar esto en el mediano plazo.

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Mecánica Cuántica

Te podrás imaginar , que este tema es tremendamente denso, navegando disciplinas como las matemáticas, la física, la química… hasta la filosofía.

Así que sólo miraremos de reojo este fascinante pero al mismo tiempo confuso concepto… y espero me perdones la falta de rigurosidad en beneficio de simplificar.

Nosotros, ciudadanos comunes, estamos acostumbrados a pensar en el mundo físico como un sistema continuo:

• Si le doy una patada a un balón de fútbol con mucha fuerza, llega lejos.

• Si la empujo sólo un poquito, llega cerca.

• En definitiva, según las ganas que le imprima a la patada, el balón recorrerá una distancia proporcional a ella.

Sin embargo en la mecánica cuántica, que se centra en el comportamiento de las partículas subatómicas y ondas electromagnéticas, no siempre ocurre este efecto.

Por ejemplo, en el ramo de química universitaria nos enseñan que en un átomo, los electrones pueden tener sólo ciertos niveles de energía, lo que determina por ejemplo la estabilidad de dicho átomo, potencial conductor, y su apertura a interactuar con otros elementos.

Esta propiedad del átomo está asociada a muchos efectos apreciables directamente en nuestro día a día, como lo es la capacidad fotoeléctrica de los paneles solares que usamos para generar energía con la luz del sol.

Cuando los electrones de un átomo aceptan una cierta cantidad de energía del sol para pasar del nivel 1 al nivel 2, la partícula queda en un estado “incómodo” y se tiene que deshacer de esa energía absorbida: El material de la celda solar está construido a modo de válvula de despiche, enrutando el electrón que sale despedido por un circuito eléctrico, el cual genera la corriente eléctrica continua.

A la inversa, cuando los electrones pasan por ejemplo del nivel 2 al 1, pueden emitir un pulso de energía, un “fotón”, que transporta una cantidad de energía determinada y finita… es como un “paquete de energía”.

En éstas y otras muchas observaciones del mundo subatómico, no existen niveles de energía fraccionados como 2.5 o 2.7. Sólo ciertos niveles discretos.

Estos infinitesimales “saltos de energía” equivalen al famoso “cuanto” de energía, y de ahí el nombre “Mecánica Cuántica”.

En nuestra primera analogía, sería como si el balón físicamente sólo pudiese alcanzar ciertas distancias predefinidas: sólo se mueve hasta ciertas posiciones luego de cada patada, pero no es posible detenerla entremedio.

Con un poco de imaginación, pareciera que al hacer zoom en los comportamientos de las partículas subatómicas, se pueden apreciar los pixeles del entramado de nuestra realidad.

¿Es el reino cuántico una especie de Minecraft pixelado?

Bajemos un poco a algo más tangible. ¿Qué tiene que ver esto con la tecnología?

Computadores Cuánticos

En la introducción de esta edición, te comenté respecto al Experimento de la Doble Rendija.

El hecho que al medir estemos modificando el objeto observado, es un concepto cuántico que se utiliza en una nueva manera de “computar” llamada “computación cuántica”.

Consiste en máquinas extremadamente sensibles y complejas, que utilizan las características cuánticas como la superposición de probabilidades y entrelazamiento cuántico, para realizar cálculos.

En estos computadores, en lugar de los tradicionales “bits”, las máquinas usan “qubits” o “bits cuánticos”, los cuales pueden tomar tres estados: “0”, “1”… y “0 y 1 al mismo tiempo”.

Para lograr las características cuánticas, se requiere manipular partículas subatómicas en ambientes muy controlados, por ejemplo bajo temperaturas cercanas al cero absoluto.

Por ello, en el computador cuántico de la foto, con todo este entramado de discos dorados y tubos metálicos, es en su mayor parte un refrigerador tremendamente sofisticado, que va enfriando la “cpu cuántica” hasta llegar a algo menos de -273° Celsius.

Una vez que se logran estas condiciones, el computador puede recibir instrucciones de una forma algo más tradicional, al menos para los informáticos comunes.

Parece increíble, pero hoy en día plataformas como Qiskit de IBM, ofrecen con su “nube cuántica” acceso a este tipo de computadores para probar estos conceptos y romper los paradigmas de la informática tradicional. Incluso regalan un curso completo y gratuito de computación quántica, usando su plataforma.

Hasta ahora, se ha comprobado que este tipo de sistemas ayudan a simplificar enormemente problemas del tipo “combinatorial”, es decir aquellos donde debes probar todas las posibles combinaciones para encontrar la solución óptima.

Un ejemplo clásico de esta categoría, es la criptografía que se usa actualmente para resguardar información privada, por ejemplo los números de tarjeta de crédito o contraseñas, en nuestros dispositivos.

Un computador moderno demoraría muchísimo tiempo en desencriptar esta información con los algoritmos tradicionales, pero usando circuitos cuánticos este tiempo sería tremendamente menor.

Todavía los computadores cuánticos no tienen la suficiente capacidad ni la oportunidad de acceso necesaria para masificar esta aplicación de la tecnología… pero no estamos lejos.

Otras materias donde se ha enfocado la investigación aplicada de esta tecnología:

• Química y materiales: Por ejemplo para mejorar las aleaciones de los aviones.

• Optimización: Por ejemplo, el famoso “problema del viajero” para visitar todos los puntos programados con el mínimo de recursos.

• En general, operaciones de matrices y vectores masivos: Por ejemplo, simulación de riesgo financiero o predicción de precios.

En resumen:

Mirando más allá de lo evidente

Todo esto puede ser muy interesante interesante (espero que si 😂) pero dejé lo más jugoso para el final del artículo.

Resulta que el efecto general del “colapso de la función de onda” cuando el sistema es observado, abrió la puerta a relacionar empíricamente el efecto de la voluntad sobre el mundo físico.

Afírmate .

En el artículo de Oro Puro ” Inteligencia Artificial, Libre Albedrío y Belleza “, postulé que una de las características que nos definen como seres humanos, es nuestra capacidad de tomar decisiones puramente en base a nuestra voluntad, y no al determinismo físico-químico del estado de la materia en nuestros cuerpos, y particularmente dentro de nuestros cerebros.

En otras palabras, no somos una máquina que sigue instrucciones determinadas por la materia y su estado, sino que existe en alguna parte de nosotros una mente consciente, que activa ciertas palancas que resultan en nuestras decisiones.

Siguiendo esta línea de razonamiento, esta mente estaría alojada fuera de la materia, ya que de otra manera estaría obligada a seguir las leyes deterministas y por tanto el libre albedrío no existiría.

Hasta aquí, suena alentador y sugerente, donde nuestro verdadero YO sería una especie de ser supernatural que está jugando con nuestro cuerpo/avatar en este mundo.

Y es aquí donde Sir Roger Penrose, premio Nobel de física, y el anestesista Stuart Hameroff, introducen el concepto que la consciencia humana se genera a partir de fenómenos cuánticos en las estructuras microscópicos de nuestros cerebros.

Es decir:

En la conferencia versión 2024 de la llamada “TSC - The Science of Consciousness Conference”, los ponentes presentaron los resultados sus investigaciones en estas mismas líneas, explicando en mayor detalle cómo funcionan estas estructuras microscópicas y su relación con los efectos cuánticos.

Como puedes comprobar en el video de esta conferencia, los expositores son expertos investigadores, con doctorados y con roles en prestigiosas universidades.

¿Te parece una locura? Hay todavía más.

En otra conferencia, organizada por el centro de estudios de la conciencia de la Universidad de Arizona, se presentaron experimentos donde la observación directa de un ser humano sobre un sistema cuántico, simplemente “mirando los resultados en el monitor de su computador”, generaban cambios sutiles pero significativos en los resultados.

Cuando el observador “cierra los ojos”, y deja de mirar la pantalla y concentrarse en los resultados, éstos vuelven a la normalidad, normalmente con un desfase de algunos segundos, aspecto que también se discute en dicha conferencia, teorizando que está relacionado con nuestra capacidad de concentración y olvido.

Se han estado haciendo estas pruebas desde hace más de 20 años, con investigadores, “meditadores”, incluso con observadores que están viendo por Internet los resultados a kilómetros de distancia, con los mismos resultados.

Esto significa que, por solo mirar los resultados en la pantalla, incluso desde el otro lado del mundo, se modifican las variables cuánticas del sistema que está siendo observado.

🤯 x 2.

Cierre

La física cuántica es una compleja disciplina que nos sigue sorprendiendo año a año, donde muchos científicos quedan estupefactos… y otros se muestran escépticos.

Es una materia fascinante que está siendo estudiada en todo el mundo en la búsqueda del conocimiento del funcionamiento del universo.

Sin embargo, como muchos otros temas que todavía no entendemos del todo, estos conceptos abren la puerta para que la pseudociencia haga su ingreso triunfal, a menudo para fines bastante menos nobles.

Nos queda esperar, seguir atentos a la evolución de todo esto, y mientras tanto quizás esta edición ayude a echar algo de luz en estas poco intuitivas materias.

Un abrazo , y hasta pronto.