Mecánica Cuántica en la Película Coherence
La física cuántica en “Coherence”
A comienzo del siglo XX los físicos tenían un problema, no podían describir correctamente el comportamiento de partículas muy diminutas como electrones, núcleos de átomos y moléculas. El comportamiento de estas partículas se describe correctamente como un conjunto de leyes físicas que llamamos Mecánica Cuántica.
A inicios de siglo, una pequeña cantidad de físicos, entre los que podemos nombrar Bohr, Einstein, Heisenberg, De Broglie, Jordan, Born, Schrödinger, contribuyeron a formalizar matemáticamente la Teoría que quedó técnicamente completa a finales de la década de 1920. ¿Pero en qué consiste esta Teoría? Esta junta un formalismo matemático y conceptual, y recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas en el primer tercio del siglo XX, para explicar procesos cuya comprensión se encontraba en conflicto con las concepciones físicas vigentes.
Lo que propició la aparición de ideas que sustentan la Teoría Cuántica fue la búsqueda de tratar de darle explicación al comportamiento de sistemas en los que el aparato conceptual de la Física Clásica se mostraba incapaz. Ya teniendo una idea de lo que es la mecánica cuántica, a lo largo de este trabajo iremos conociendo sus propiedades básicas como lo es:
- la Función de onda
- el Principio de Superposición
- el Principio de Incertidumbre
- el Principio de Decoherencia cuántica.
Todos estos explicados y ejemplificados desde el punto de vista de la película “Coherence”1, una película estadounidense de ciencia ficción de 2013 que relata la historia de un grupo de amigos que se juntan en modo de fiesta. Cuando empiezan a suceder cosas extrañas a su alrededor, llegan a la conclusión de que están interactuando con universos paralelos con sus respectivas fiestas.
La función de onda es una solución a las ecuaciones de la mecánica cuántica, explicado en otras palabras, la función de onda es la que indica el estado de una partícula. Es la Ecuación de Schrödinger, desarrollada por el físico Schrödinger en 1925 la cual nos permite dar la descripción matemática de la función de onda, nos da la forma de la onda como f(x) en un plano, ¿pero cómo es posible entender que una función de onda, representa a la onda de la partícula medida? Schrödinger no fue capaz de interpretar su propia ecuación, a pesar de poder describirla a la perfección. Fue Max Born junto con Werner Heisenberg y Pascual Jordan, quienes fueron capaces de interpretarla correctamente, apreciaron que la ecuación de Schrödinger compleja tiene una integral de movimiento, que podía ser interpretada como una densidad de probabilidad.
Entonces con esta interpretación, la ecuación de Schrödinger describe matemáticamente la onda de probabilidad, es decir, tomando el ejemplo de un electrón o fotón, éste, como onda, puede estar en cualquier parte del Cosmos, pero la probabilidad de que esté en un lugar u otro es diferente. En eso consiste la onda de probabilidad. Donde los picos del plano son más altos hay mayor probabilidad de encontrarlo, y donde son más bajos la probabilidad es menor. Pero puede estar en cualquiera de esos puntos.
En conclusión ésta ecuación no nos dará resultados exactos, si no probabilidades de donde se encontrará la partícula medida, su momento concreto o su estado. Es aquí donde todo cobra sentido, al analizar la película “Coherence”, nos daremos cuenta que en cada casa, al interior de la caja que permite a los personajes reconocer su casa-origen, hay un objeto distinto. Aplicando la metodología de la ecuación de Schrödinger, ésta nos dirá los distintos estados en los que se encuentra cada momento el objeto al interior de la caja.
El principio de superposición 2 en la mecánica cuántica explica que un sistema físico, por ejemplo un electrón, existe a la vez en todos sus teóricamente posible estados, pero cuando se mide, da un resultado que corresponde a sólo uno de las posibles variables, es decir, el resultado varía dependiendo del observador.
Es normal preguntarse por qué los acontecimientos reales y cotidianos no parecen mostrar propiedades mecánico cuánticas como la superposición, pero existen experimentos capaces de hacernos ver la relación entre estas, como lo es el experimento de doble rendija¹ y el del gato de Schrödinger 3. Este último hace referencia a un gato encerrado en una caja opaca junto a un mecanismo que une un detector de electrones a un martillo. Y debajo del martillo,un frasco de cristal con una dosis de veneno mortal para el gato. Si el detector capta un electrón activará el mecanismo, haciendo que el martillo caiga rompiendo el frasco.
Se dispara un electrón. Lógicamente pueden haber dos posibles resultados. Uno en el que el detector capte el electrón y active el mecanismo por lo cual el martillo caerá y romperá el frasco con veneno, el gato lo inhalara y al abrir la caja encontraremos un gato muerto. O puede que el electrón tome un camino distinto y el detector no lo capte, por lo que el mecanismo nunca se activará y al abrir la caja encontraremos al gato vivo. Hasta aquí hay un 50% de probabilidades de que el gato muera o viva. Aplicando el formalismo de la mecánica cuántica, el gato estaría a la vez vivo y muerto; se trataría de dos estados indistinguibles.
La única forma de saber el resultado es abrir la caja y mirar dentro. En unos casos nos encontraremos al gato en la caja vivo y en otros muerto. Pero, ¿qué ha sucedido? Al realizar la medida, el observador interactúa con el sistema y lo altera, rompe la superposición de estados y el sistema se decanta en uno de sus dos estados posibles. Nuestro sentido común nos indica que el gato no puede estar vivo y muerto a la vez. Pero la mecánica cuántica dice que mientras nadie abra y mire en el interior de la caja el gato se encuentra en una superposición de los dos estados: vivo y muerto.
Entonces, tomando el anterior ejemplo del objeto-origen al interior de cada caja podemos decir que con la función de onda conoceremos a probabilidad de que el objeto se encuentre en un determinado estado, posición y momento concreto. Y según el principio de superposición, hasta que los personajes no abran y miren al interior de las cajas con los objetos-origen, éstas tendrán todos los objetos posibles (grapadora, guante de cocina, paleta de ping-pong, servilleta,..etc).Una partícula cuántica no posee únicamente un valor de una cantidad física, sino todos los valores posibles al mismo tiempo: superposición.
El Principio de incertidumbre 5 es uno de los resultados científicos que más impacto ha tenido en nuestra forma de entender el universo. Fue W.Heisenberg quien en 1927 lo enunció. Según este principio, el hecho de que cada partícula lleva asociada consigo una onda, impone restricciones para determinar al mismo tiempo su posición y su velocidad. La incertidumbre derivada de esta apreciación no corresponde a errores del instrumento de medida, sino al propio hecho de pretender tomar dichas medidas. En otras palabras, el propio hecho de observar el fenómeno, provoca alteraciones en él, ya que por ejemplo para medir cualquier partícula es necesaria luz para verla, y la luz afecta a la partícula, golpeándola y alterando su trayectoria.
Incluso empleando los instrumentos más profesionalmente precisos y exactos jamás imaginados, el principio de incertidumbre se mantiene estable y vigente. La posición y la cantidad de movimiento de una partícula respecto de uno de los ejes de coordenadas son magnitudes complementarias por lo tanto, cuanto mayor sea la precisión en la medida de una de las magnitudes, mayor será la incertidumbre derivada en la otra variable complementaria.
Es decir, en conclusión nunca sabremos el estado real de la partícula que observemos, ya que cuando la observemos su estado se altera. La decoherencia cuántica 6 es el proceso que produce la pérdida de coherencia de un estado cuántico, es decir, cómo un sistema físico, bajo ciertas condiciones específicas, deja de exhibir efectos cuánticos y pasa a exhibir un comportamiento clásico. Se entiende como la destrucción de la interferencia cuántica, o sea, el anterior mencionado principio de superposición.
Si antes decíamos que la superposición en el ejemplo de los objetos-origen al interior de las cajas, hacia que al mismo tiempo antes de abrirlas, todos los posibles objetos existieran a la vez. Y el principio de incertidumbre que con nuestro acto de observar forzamos a la naturaleza a tomar una variable. Ya que es imposible que al abrir la caja encontremos todos los objetos al mismo tiempo. Aquí es donde aparece la decoherencia cuántica, al abrir la caja, este proceso se entiende como el paso del estado cuántico (todos los estados posibles, con distinta probabilidad) al estado observado.
Como en general, es difícil de entender la mecánica cuántica, hay quienes incluso aseguran que la decoherencia produce una realidad múltiple, ya que todas las posibles variables de los estados terminan por producirse. Es así como surge la teoría de los universos paralelos, que nos dice que por ejemplo, el gato de Schrödinger está vivo en la caja, en una realidad, en un universo, y a la vez también está muerto en otra caja, en otra realidad, en un universo paralelo. En la película “Coherence” podemos entender que en cada casa, cada caja con su objeto-origen, cada grupo de amigos, cada realidad, existe a la vez, al mismo tiempo en universos múltiples.
