La bomba viva-muerta o cómo probar una bomba sin explotarla

gato vivo muerto

Por: Julio Rodríguez

La vez pasada solucionamos un asunto sin ninguna utilidad, que fue la vieja cuestión del huevo y la gallina. Esta vez afrontaremos un problema más práctico: cómo testear una bomba. A todos nos sucede que podemos probar un perfume o un auto antes de pagar por él y si nos satisface nos lo llevamos y lo usamos. Pero no podemos hacer lo mismo con una bomba. Siempre que compramos una, tenemos la duda de si llegado el caso funcionará o no. A no ser claro está, que se trate de la bomba de Elitzur-Vaidman, la bomba cuántica.

Para construir una de ellas es preciso entender algo de las reglas que rigen las micro-partículas. De entrada la idea de que los átomos son pequeñas esferas solidas -o más bien un núcleo formado por bolitas duras siendo orbitado por otras bolitas duras- es casi tan inexacta como la afirmación de que los bebés vienen de París en cigüeñas. A pesar de que ese famoso modelo atómico se usa hoy como ícono de la ciencia más avanzada, la última vez que un físico lo consideró acertado fue en los años 20 del siglo pasado.

El asunto es más extraño. Quizás el lector ha oído que una micro-partícula (un fotón, por ejemplo) también es una onda. Lo cual pareciera equivalente a ser círculo y cuadrado al mismo tiempo. Recordando cómo es un partícula, digamos, de polvo y cómo son las ondas más conocidas (las ondas en el agua, las ondas sonoras, las olas de personas en los estadios…) a uno le surge la interrogante ¿de qué manera lucirá en el microscopio algo que, contradictoriamente, es una onda y una partícula a la vez? Por desgracia nunca se sabrá ya que es imposible la existencia de un lente capaz de escudriñar en algo tan pequeño. Es largo de explicar, pero no se trata de una limitación tecnológica sino que dada la singular naturaleza del micro-mundo, allí nuestro concepto de “ver” carece de sentido; en esas dimensiones las cosas no pueden ser vistas sino a lo sumo detectadas. Durante siglos los científicos se preguntaron en qué consistía la luz. Hoy se sabe que es algo que se expresa de dos modos, según se le aborde. Si se diseña un experimento o un aparato destinado a detectar ondas de luz, se detectarán ondas; si se intenta encontrar partículas de luz, se encontrarán partículas de luz (fotones). Y si le preguntamos a un físico qué diablos es eso subyacente y misterioso que se manifiesta de dos modos tan disímiles, es posible que responda que reflexionar al respecto no parece contribuir a mejorar el modelo, lo cual es su manera de informarnos que ese no es su maletín.

Entretanto el nuestro es, no lo olvidemos, el diseño de una bomba que pueda ser probada antes de usarse. En pos de entender la mecánica de este artefacto, ya hemos visto que las entidades del micro-mundo (los átomos, fotones, electrones, etc.) asumen uno de dos estados posibles: onda o partícula. Por muy sorprendente que sea esta dualidad, más lo es la propia “textura” de las ondas en cuestión. Si dejamos caer una piedra en un charco de agua, se producirán olas en las cuales la sustancia involucrada es, justamente, agua. El sonido por su parte, consiste en oscilaciones de moléculas de aire. Cabe entonces peguntar ¿de qué están hechas las ondas cuánticas? ¿Cuál es esa sustancia que oscila cuando una micro-partícula está en su versión onda? He aquí lo irreal: esa “sustancia” no está hecha de materia, sino de probabilidades.

Para comprenderlo hay que partir de que el futuro “no está escrito”. Por mucho que conozcamos lo que está sucediendo ahora, no hay ni puede haber una fórmula que nos indique con total precisión qué va a ocurrir dentro de un segundo, no digamos ya un año. La culpa de este indeterminismo la tiene el hecho de que en la naturaleza hay eventos que ocurren de pronto, sin ninguna causa, como por sorpresa. Y esta no es una afirmación de la sociología sino de la física cuántica, la ciencia natural más exacta que se conoce (con estos truenos no es de extrañar que Marx haya predicho una revolución comunista mundial, y en lugar de ella haya surgido el imperialismo moderno). Las que sí son predecibles, en cambio, son las probabilidades de que ocurra esto o aquello.

Téngase, por ejemplo, un átomo de hidrógeno. Debido a la antes mencionada aleatoriedad inherente al micro-mundo, resulta imposible conocer del todo dónde va a estar esa partícula en determinado instante. Aun así en el universo, para cada punto del espacio, hay un número sí cognoscible que indica la probabilidad de que dicho átomo se encuentre allí, en ese punto. Cuando una micro-partícula, haciendo caso omiso a su nombre, no está siendo partícula, puede entenderse como siendo remplazada por algo así como una inmaterial nube compuesta por números -por probabilidades- que aumentan y disminuyen en tanto las olas de probabilidad la atraviesan. ¿Difícil de interiorizar? Por supuesto. No por gusto aprender física cuántica toma más tiempo que graduarse de astrología.

El gato vivo-muerto de Schrödinger

Según la “interpretación de Copenhague”, una de las más populares entre los físicos, al universo se le da más fácil ser ondulaciones que partículas. Esto significa que la mayor parte del tiempo la naturaleza consiste en olas cuánticas interactuando entre sí, números oscilando en la nada, un estado en el cual no hay sucesos sino posibilidades de que ocurran sucesos. ¿En qué momento acaba la potencialidad y comienza la realidad? ¿Bajo qué circunstancia nuestro átomo de hidrógeno se anima por fin a existir, a ser partícula? Ahora viene lo más insólito: este salto sucede cuando se efectúa una “medida”, y una medida consiste en que un ser humano preste atención. En pos de ayudarnos a entender esto, a Schrödinger no se le ocurrió mejor idea que la de matar-no matar a un gato.

El experimento consiste en introducir al desgraciado-afortunado felino en una caja cerrada de modo que ninguna persona pueda conocer qué ocurre dentro. En el interior, apuntando a la cabeza del animal, hay una pistola cuyo gatillo posee la particularidad de que si llega un fotón a él, se dispara; y si no llega, el gato sobrevive. En la caja hay además un dispositivo programado para que en cierto momento emita una de esas micro-partículas hacia un espejo semitransparente, es decir uno que refleja la mitad de la luz y deja pasar la otra mitad. Si dicho fotón atraviesa el espejo (o sea si no es reflejado) entonces va a dar al gatillo, convirtiendo al gato en mártir de la ciencia. Si por el contrario, la partícula es reflejada (desviada) el arma no se dispara. Recuérdese que debido al indeterminismo cuántico es imposible conocer de antemano si el fotón será desviado o no, y por tanto si es el día de suerte del animal. Después de emitido el fotón, y antes de que se abra la caja, pasará un tiempo en el que nadie sabrá si la pistola fue disparada. La pregunta es: en esos momentos de incertidumbre ¿qué está ocurriendo con el gato?

De acuerdo con la física clásica y el sentido común, durante ese intervalo el animal o bien estuvo muerto, o bien estuvo vivo. Por el contrario, según la interpretación de Copenhague, el gato no permaneció ni en un formato ni en otro. Ni siquiera en uno intermedio como estar herido, en coma, o teniendo una experiencia cercana a la muerte. Lo que ocurrió ahí dentro simplemente no es describible en términos de la experiencia cotidiana. Antes de que se abriera la caja, su interior equivalía a un festival de ondas de probabilidad, donde la posibilidad de que el fotón hubiera atravesado el espejo semitransparente coexistía con la posibilidad de que hubiera sido reflejado, mientras que la probabilidad de que el gato tuviera un hueco en la cabeza, convivía con la de que el gato se anduviera regodeando con la esperanza de comer pescado en el almuerzo. Al final cuando el investigador abre la tapa y mira, se produce la famosa “medida” (que según los más radicales sucede por el solo hecho de que un ser humano mire). La tal medición tiene el efecto de destruir las ondas de probabilidad obligando a las partículas a concretarse en una de sus realidades potenciales, la cual es escogida al azar. Parafraseando a Einstein, es el instante en el que Dios tira los dados. A este enigmático e instantáneo salto se le conoce por hermosos nombres que parecen extraídos de un capítulo de Voltus V: “reducción del vector de estado”, “colapso de la función de onda”. A partir de ese momento ocurre que el fotón se reflejó o no, la pistola permaneció sin disparar o no, y el gato había estado vivo o muerto. Es como si el presente produjera al pasado. Y sobre todo, como si la consciencia humana fuera un objeto físico especial capaz de crear la realidad por el solo hecho de reparar en ella.

Si el lector considerara demasiado fantasiosa esta versión quizás no ha oído la de Everett: cada vez que una partícula tiene dos opciones, pongamos, de hacia dónde dirigirse, la naturaleza se bifurca en dos universos “paralelos” diferenciados entre sí por el único hecho de que en uno de ellos dicho objeto se dirigió a un lugar, mientras que en el segundo fue hacia el otro. En una realidad sobrevive el gato y en la otra no maúlla más. Desde luego cada persona también se duplica, aunque nadie puede conversar con su álter-ego pues los mundos paralelos, como su nombre indica, no se cruzan. Como a nivel cuántico estás divisiones suceden todo el tiempo, la cantidad de universos engendrados crece exponencialmente siendo inabarcable para la imaginación.

Cabe preguntarse cómo es que un físico, que supuestamente debe lidiar con sucesos tangibles y cuantificables, tiene el aplomo de hablarnos de las tales ondas de probabilidad como si fueran un componente del mundo real. Y es que al parecer lo son. El experimento del gato nunca se ha realizado; amén de que supondría una violación de los derechos humanos del animal (sic) a nadie se le ha ocurrido la manera de determinar si en verdad permaneció vivo-muerto durante su encierro. Sí que son comprobables, en cambio, las repercusiones de las ondas de probabilidad en nuestro mundo, junto con las diferencias de comportamiento existentes entre un sistema que puede ser observado y uno que no. Nótese que en nuestro entorno “normal” solo impactan los acontecimientos que efectivamente han ocurrido, al tiempo que los que no sucedieron no poseen ningún grado de realidad. En el medio cuántico, en cambio, hay una tercera clase de eventos: los que podían haber ocurrido pero no ocurrieron. Lo remarcable es que algunos de estos últimos sí tienen influencia en la realidad, una idea tan extravagante como la hipótesis de que seres de ultratumba interactúan con nosotros. Si nos reímos de esta y no de aquella, es porque la cuántica se sustenta en innumerables evidencias a partir de las cuales se ha obtenido la formulación matemática que mejores predicciones ha hecho acerca de la naturaleza. Una de esas evidencias es la bomba cuántica.

Aquí concluye la porción más fácil de este artículo, la parte exclusivamente filosófica. Nociones que con suerte, enseñarán algo a los que afirman que la “ciencia oficial” es dogmática, poco imaginativa y carente de algún atisbo de misticismo. Lo que sigue es un inevitable anexo técnico destinado a explicar, por fin, una bomba que en definitiva solo sirve para demostrar estos extraños fenómenos.

La bomba de Elitzur–Vaidma

bomba

  • Las barras inclinadas negras y azules con un número encima representan espejos. De ellos, los negros (el 2 y el 4) son espejos normales, mientras que los azules (1 y 3) son semi-espejos (espejos semitransparentes). El 3 es un semi-espejo por ambas caras.
    • El rectángulo delimitado por los cuatro espejos es un cuadrado, o sea que el camino 1–2–3 mide lo mismo que el camino 1–4–3.
    • El emisor de luz no es una lámpara común, sino una que cuando se enciende emite la cantidad mínima de luz posible: un fotón.
    • A y B son detectores de fotones conectados a bocinas. Cuando llega un fotón a cualquiera de ellos, emite un sonido.
    • El espejo 4 es un componente fundamental de la bomba. Su función es hacerla explotar si llega un fotón a él. Precisamente la parte de la bomba que pudiera estar dañada es el mecanismo mediante el cual el espejo comunica al resto de la bomba la llegada del fotón. La bomba tiene la característica de que en el mundo clásico solo puede estarse seguro de si funciona, haciéndola estallar. El objetivo del experimento es mostrar cómo las rarezas del entorno cuántico ofrecen una vía alternativa paratestear este artefacto.

Para cada bomba, existen dos situaciones posibles: 1) sirve, y 2) no sirve. En la segunda, hay varias bifurcaciones de la historia. Veamos todos los casos a partir de que el emisor de luz dispara un fotón hacia el primer semi-espejo:

1)La bomba no funciona. Como se observa en el próximo gráfico: La luz incide en el espejo 1, que por ser semitransparente la divide en dos ondas. Una toma el camino 1–2–3; y la otra va por 1–4–3. En el semi-espejo 3 ambas se rencuentran. Y tanto la que entra por la izquierda como la que lo hace por abajo, se subdividen a su vez en dos ondas más (debido a que un semi-espejo refleja el 50 % de la luz, y permite el paso del otro 50 %). De esta manera, desde 3 partiría un par de ondas hacia arriba y otro par hacia la derecha. En realidad las dos que van hacia arriba se anulan entre sí, al tiempo que las que salen hacia la derecha se suman. Esa anulación y esa adición no se deben a la física cuántica sino a un fenómeno llamado “interferencia” que vale hasta para las ondas de agua, cuestión que por habérnosla enseñado en el pre-universitario a casi todos se nos olvidó enseguida. Por tanto, si la bomba no funciona, la luz que salió del emisor no llega a B sino que finaliza en el detector A. Aunque como veremos en el punto 2.2.1, un fotón puede llegar allí aunque la bomba esté buena.

bomba 2

2) Consideremos los casos en que la bomba sí funciona. Es a partir de aquí que la cuántica exhibe sus verdaderos rasgos fantasmales. En un entorno clásico, que un evento pase inadvertido no implica que no ocurra -se supone que la Luna está allí aunque nadie la mire-. Mas según advertimos con el gato vivo-muerto, en lo concerniente a lo cuántico la cosa es bien distinta. Que un fotón como onda tome varios caminos a la vez (como en el caso 1) es un suceso habitual. Pero la eventualidad de que dentro del sistema haya un dispositivo amplificador capaz de hacer al fotón detectable para un ser humano, hace una gran diferencia pues destruye la onda, pone a Dios a tirar los dados, y corporiza al fotón (como sucedió con el gato) en una de sus posibles alternativas. Cuando la bomba sirve, la llegada de un fotón la haríaexplotar, lo cual es un evento detectable por personas. Esto la convierte en un dispositivo de medida, o sea, uno que elimina la onda destruyendo todas las realidades superpuestas excepto una en la cual el fotón queda en modo partícula. Lo más impresionante es que tal fenómeno ocurre ¡aunque el fotón no pase por la bomba sino que tome el otro camino! El solo hecho de que si pasara, explotaría, lo cambia todo. Y es aquí donde vemos que sucesos que “podían haber ocurrido pero no ocurrieron” tienen una repercusión efectiva en el mundo real. Dicho esto ya sabemos -en principio- cómo comprobar que la bomba funciona sin hacerla explotar: basta con percatarse de que dentro del cuadrado delimitado por los espejos no hay onda, ya que esta ha sido ahuyentada por la presencia de un dispositivo de medida (que en este caso es la bomba).

2.1) El fotón intenta ir por 1–4–3. Al llegar a 4 se produce una explosión. Bueno, perdimos esa bomba:

bomba 3

2.2) Esta vez el fotón va por 1–2–3. Recuérdese que en el primer caso -en el cual la bomba no servía- allí en 3 se encontraron dos ondas cuyas características no le dejaron a la luz -por culpa de la interferencia- más opción que dirigirse al detector A. Pero esta vez hay dos opciones, pues lo que llega al semi-espejo 3 es una partícula. Lo cual vuelve a colocar a Dios en la situación de lanzar los dados, ahora para escoger si el fotón sigue su camino hacia A o si será desviado hacia B:

bomba 4

2.2.1)-La partícula va a dar al detector A, que emite un sonido para avisarlo a la persona que realiza el experimento. Lamentablemente se trata del mismo resultado que cuando el artefacto explosivo no sirve. Al no estarse seguro de cómo llegó el fotón a ese punto, se desecha una bomba buena:

bomba 5

2.2.2) Finalmente estamos en el caso en que la partícula va a parar al detector B. La única manera de que esto puede ocurrir es que no haya ondas dentro del cuadrado delimitado por los espejos (si las hubiera, la interferencia hubiera dirigido la luz hacia A, como vimos en la situación 1). Por tanto, si el detector B suena, se tiene total garantía de que la bomba funciona:

bomba 6

Si ponemos todo lo anterior en términos de Everett, la circunstancia de que el fotón pudiera tomar una de dos vías (1–2–3 y 1–4–3) engendra un par de universos paralelos. En uno de ellos la partícula pasa por la bomba mientras que en el otro no. Si el dispositivo está funcional, hace explosión en uno solo de los mundos, aunque aniquila la onda en ambos.

¿Qué ventaja tiene la hipótesis de los universos paralelos sobre la de Copenhague, o viceversa? Casi es una cuestión de gustos. Aparte de esas dos, existen otras interpretaciones de la cuántica incluyendo la postura pragmática de utilizar sus ecuaciones desentendiéndose del tema de qué “realmente” significan. En cierto sentido, da igual; sea cual sea la “filosofía cuántica” a la que uno se adhiera, en general no hay forma de que la mente se sienta a gusto con esta disciplina. Las aparentes contradicciones que plantea, junto con el hecho de ser incompatible con la Teoría General de la Relatividad -el modelo físico actual del macro-mundo- conducen a sospechar que todavía nos estamos perdiendo una parte esencial de la película. Hoy por hoy, sin embargo, resulta ser la manera más simple que han encontrado los científicos de darle sentido al cúmulo de evidencias que poseen acerca del micro-mundo.

Nota: Durante la realización de este artículo no se le ha hecho daño a ningún animal.

(Tomado de Cachivache Media)

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