En pocas palabras, la física es la gran explicadora de cómo funciona el universo. Nos ofrece la mejor descripción posible de la naturaleza de las partículas que forman la materia y de las fuerzas que las hacen interactuar. Desde lo más pequeño hasta lo más grande, todo parece seguir las reglas del juego que dicta esta ciencia.
Ahora bien, si bajamos aún más la lupa, llegamos al terreno de la física cuántica, esa rama fascinante que explica por qué los átomos se comportan como lo hacen, y cómo eso afecta todo lo demás. Literalmente todo: desde la química que permite que cocines una pizza, hasta la biología que te hace digerirla (con suerte, bien).
Y sí, te guste o no, tú, yo y todos estamos bailando al ritmo de la música cuántica. Si quieres entender cómo los electrones se desplazan en un chip de computadora, cómo los fotones de luz se convierten en electricidad en un panel solar, o cómo un láser produce ese rayo concentrado de energía, necesitas hablar en cuántico.
¿Y el sol? También tiene su secreto cuántico. Su energía se produce gracias a procesos nucleares que no tendrían sentido sin esta rama de la física. Así que la próxima vez que mires una lámpara LED o cargues tu celular con energía solar, recuerda: ahí, en silencio, está la cuántica haciendo su magia. Bueno, magia científica.
La complejidad —y para los físicos, la diversión— empieza justo aquí. Primero, no hay una única teoría cuántica. La base es la mecánica cuántica, un marco matemático esencial que surgió en la década de 1920 gracias a genios como Niels Bohr, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger. Esta teoría describe cómo cambian con el tiempo la posición y el momento de una partícula o un grupo pequeño de partículas.
Pero para entender cómo funciona el mundo real, la mecánica cuántica no es suficiente. Hay que combinarla con otras teorías, sobre todo la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein, que explica qué ocurre cuando las cosas se mueven a velocidades cercanas a la luz. Al juntar estos conocimientos, surge lo que se conoce como las teorías de campos cuánticos.
Actualmente, existen tres teorías de campos cuánticos que intentan explicar tres de las cuatro fuerzas fundamentales que rigen la interacción de la materia. La primera es el electromagnetismo, que mantiene unidos a los átomos y permite la electricidad y el magnetismo. La segunda es la fuerza nuclear fuerte, responsable de que el núcleo atómico no se desintegre. Y la tercera es la fuerza nuclear débil, que explica fenómenos como la desintegración radiactiva de ciertos átomos.
Cada una de estas fuerzas tiene un papel clave para entender la estructura y comportamiento del universo en su nivel más básico.
En las últimas cinco décadas, estas tres teorías se han unido en una coalición algo frágil pero muy efectiva: el llamado modelo estándar de la física de partículas. Aunque parezca que está sostenido con cinta adhesiva, este modelo es la teoría más rigurosa y comprobada que tenemos para explicar la estructura fundamental de la materia. Su momento estelar llegó en 2012, cuando se descubrió el bosón de Higgs, la famosa partícula que da masa a las demás partículas elementales. Este hallazgo confirmó predicciones hechas en 1964 basadas en las teorías cuánticas de campo.
Las teorías de campo cuánticas convencionales funcionan de maravilla al interpretar resultados de experimentos en aceleradores de partículas súper avanzados, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, donde se detectó el Higgs. Estos dispositivos exploran la materia a escalas inimaginablemente pequeñas.
Pero la cosa se complica cuando queremos entender fenómenos más cotidianos, por ejemplo, cómo se comportan los electrones dentro de materiales sólidos. Aquí entra la física del estado sólido, que explica por qué ciertos materiales son metales, otros aislantes y otros más semiconductores. En estas situaciones, el simple modelo estándar no basta y los cálculos se vuelven muchísimo más complejos.
Así que, aunque la física cuántica brille en los experimentos más extremos, el mundo real nos reta con sus propios misterios, donde las partículas hacen su propia fiesta complicada.
Véase también Bosón de Higgs o la partícula de Dios
En los materiales sólidos ocurre una maraña impresionante de millones de interacciones entre partículas, tan apretadas que para entenderlas necesitamos crear las llamadas teorías de campo efectivas. Estas teorías simplifican muchos detalles complicados para poder manejarlas, pero esa misma complejidad es la razón por la que todavía hay preguntas abiertas en la física del estado sólido. Por ejemplo, ¿por qué a temperaturas muy bajas algunos materiales se vuelven superconductores, dejando pasar la corriente eléctrica sin resistencia? Y lo más intrigante, ¿por qué no podemos replicar ese efecto a temperatura ambiente?
Debajo de todos estos desafíos prácticos se esconde un misterio cuántico enorme.
En esencia, la física cuántica predice comportamientos muy extraños sobre cómo actúa la materia, que no encajan con lo que observamos en nuestra vida diaria. Las partículas cuánticas pueden actuar como partículas, concentradas en un punto específico, o como ondas, distribuidas por todo el espacio, incluso en varios lugares al mismo tiempo. Y aquí viene lo loco: cómo se manifiestan depende de la forma en que las medimos. Antes de medirlas, parecen no tener propiedades definidas, lo que nos lleva a un misterio fundamental sobre la verdadera naturaleza de la realidad.
Este fenómeno, conocido como dualidad onda-partícula, desafía nuestra intuición y sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física moderna.
Esta falta de claridad da lugar a paradojas famosas, como el gato de Schrödinger, donde, debido a un proceso cuántico incierto, un gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Pero eso no es todo. Las partículas cuánticas también parecen influirse entre sí instantáneamente, incluso estando separadas por grandes distancias. A este fenómeno se le llama entrelazamiento cuántico, o, como lo describió Einstein —un gran escéptico de la teoría cuántica—, una «acción espeluznante a distancia».
Estos comportamientos tan raros son difíciles de imaginar para nosotros, pero son la base de tecnologías revolucionarias como la criptografía cuántica ultra segura y la computación cuántica, que promete un poder de cálculo increíble.
A pesar de todo, nadie sabe exactamente qué significa todo esto. Algunos aceptan que la física cuántica describe el mundo a niveles tan pequeños que desafían nuestra experiencia cotidiana. Otros creen que existe una teoría más intuitiva aún por descubrir.
Además, hay un gran elefante en la habitación: la gravedad. Esta cuarta fuerza fundamental no ha sido explicada por la física cuántica. La gravedad sigue siendo dominio de la teoría general de la relatividad de Einstein, una teoría que no incluye partículas ni es cuántica.
Durante décadas, científicos han intentado sin éxito unificar la gravedad con la física cuántica en una “teoría del todo” que explique todas las fuerzas, pero hasta ahora, nada ha funcionado.
Las mediciones cosmológicas nos revelan algo impresionante: más del 95 % del universo está compuesto por materia oscura y energía oscura, dos cosas que ni siquiera están explicadas dentro del actual modelo estándar de la física. Además, muchos misterios siguen sin resolver, como el papel que juega la física cuántica en fenómenos complejos como la vida misma, que parece tener un comportamiento caótico y desordenado difícil de comprender.
En realidad, nuestro mundo funciona a nivel cuántico en muchos sentidos, pero si la física cuántica es la última palabra sobre la naturaleza de la realidad… eso aún es una pregunta abierta.
Sin duda, la física cuántica es un océano profundo y fascinante de conocimientos asombrosos. Si consideramos que conocemos solo un 5 % de los océanos de la Tierra, la analogía aplica igual para esta rama de la ciencia. Fue estudiada por grandes mentes que intentan responder preguntas sobre lo que tenemos frente a nosotros, pero que no somos capaces de ver directamente.
Este campo es tan complejo como cautivante, lleno de enigmas y sorpresas que desafían nuestra intuición.
Como dijo el legendario físico Niels Bohr:
«Si alguien no queda confundido por la física cuántica, es que no la ha entendido bien.»
Una invitación a aceptar que, en la física, la confusión también puede ser parte del aprendizaje.
Véase también La paradoja del gato de Schrödinger
