El nacimiento de la teoría que cambió el mundo

Todo necesita una historia. Es cómo los humanos entendemos y explicamos el mundo. Y las mejores historias son siempre las de sus orígenes. Primero no hay nada y después hay algo. Ocurre con los superhéroes, con los grupos de música y, sí, también con las teorías científicas. El problema es que rastrear el origen exacto de una teoría para identificarlo en forma de punto en el espacio-tiempo es una actividad que contiene una buena dosis de inocencia y otra de arbitrariedad. Es ahí donde entra en juego el poder de las historias. La calidad de una historia es el árbitro que puede decidir, sin ningún tipo de inocencia, el instante en el que nace una teoría.

En el caso de la física cuántica, por ejemplo, existe el momento de 1900 en que Max Planck estudia la radiación electromagnética que emiten los cuerpos cuando se calientan y propone que la energía que intercambian con el exterior sólo puede adoptar una serie de valores concretos; es decir, está cuantizada. O el momento de 1905 en que Albert Einstein explica por qué en algunos materiales, cuando se iluminan con luz de un color determinado, se produce una corriente eléctrica, cosa que sólo puede entenderse si se asume que la luz está formada por paquetes o partículas de energía llamados fotones.

Si la Unesco ha decidido que el 2025 es elAño Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas para celebrar, textualmente, "los cien años desde el desarrollo inicial de la mecánica cuántica", es porque en 1925 hay una historia mejor que la de 1900 o la de 1905. Es ésta. Tome una bebida bien fría y póngase cómodos.

El visitante de Helgoland

Una noche tormentosa de la primavera de 1925 un hombre de veintidós años con la cara deformada llamó a la puerta de una de las pocas casas de Helgoland, un conjunto de dos islotes pelados sometidos a los embates del Mar del Norte a sesenta kilómetros de la costa alemana. Cuando abrió y vio aquel rostro enrojecido y tumefacto, el ama que le había alquilado la habitación lo quitó por un borracho o un pendenciero a quien algún marinero acababa de apalear. Pero en realidad aquel hombre era un profesor de la Universidad de Göttingen con un ataque de rinitis alérgica que le había inflado la cara. Se había trasladado a la isla para pasar unos días y ver si la ausencia de plantas que se levantaran más de un palmo de tierra le ayudaba a recuperarse. Tras el susto inicial, cuando vio que no tentineaba y hablaba con corrección y elegancia, el ama desistió del primer impulso de llamar a la policía y le dejó pasar.

En Helgoland, sin que ninguna microscópica partícula de polen le agrediera, el visitante se dedicó a nadar entre las dunas que unían los dos islotes, a pasear por los acantilados rojizos de la cara norte de la isla mientras leía el Divan occidental-oriental de Goethe ya trabajar en un problema que le preocupaba desde hacía meses.

El enigma microscópico

Hacía años que se llevaban a cabo experimentos para dilucidar la estructura interna de la materia. En 1897 Joseph Thomson había descubierto al electrón y en 1911 Ernest Rutherford había concluido que los átomos están formados por una gran concentración de masa con carga positiva en el centro, rodeada de partículas negativas. Ahora bien, las ecuaciones que habían descrito con tanta precisión las órbitas de los planetas y los movimientos de muelles, poleas y pelotas, las ecuaciones que tan bien habían explicado los intercambios de calor y las máquinas de vapor, las ecuaciones que habían calculado con tanto acierto las relaciones entre los campos magnéticos y las corrientes avanzada del momento, no podían explicar los resultados de los experimentos que se hacían para atisbar el comportamiento de las partículas microscópicas.

Además, observar los átomos directamente era imposible. El físico danés Niels Bohr había dicho que cuando se hablaba de átomos, el lenguaje sólo podía utilizarse como la poesía. A medida que le bajó la hinchazón de la cara y se fue recuperando, el visitante de Helgoland decidió que no tenía sentido imaginar qué ocurría dentro de los átomos y dejó de lado la poesía para centrarse en los datos observables. Cada vez que un átomo cambiaba de estado energético, absorbía o emitía luz que podía registrarse en una placa fotográfica. Y esto era todo lo que podía saber. Por tanto, era necesario averiguar su comportamiento a partir de esta información.

Con un pensamiento cada vez más afilado gracias al aire limpio y fresco de Helgoland ya la inspiración que le conferían los paseos por los acantilados, organizó todas estas variables en filas y columnas hasta formar unas estructuras complejas en forma de matrices que empezó a manipular. Trabajó obsesivamente veinte horas al día hasta que, una noche, a las tres de la madrugada, la solución apareció delante de ella.

"En un primer momento me asusté mucho", escribiría años más tarde. "Tenía la sensación de estar contemplando un fondo subyacente de una extraña belleza interior y casi me mareé". El hallazgo le había sometido a un estado de excitación tan desmedido que, incapaz de conciliar el sueño, salió de la pensión y caminó en la oscuridad apenas rasgada por un hilo de luna hasta llegar a los acantilados. Allí vio una roca solitaria en forma de pináculo que sobresalía del mar y no pudo dejar de escalarla. Una vez en la cima, en una imagen que reproduce punto por punto la escena que pintó Caspar David Friedrich en el cuadro Caminando sobre un mar de nubes, esperó a que las primeras luces del sol desvanecieran la niebla que envolvía a los acantilados y se vislumbrara la inmensidad del mar.

Lo que había descubierto el joven Werner Heisenberg en medio de aquella exaltación romántica era que si con todo aquel reguero de variables estructuradas en forma de matrices se realizaban ciertas operaciones, se podían explicar los resultados de los experimentos. Sin embargo, las operaciones no eran las sumas, restas y multiplicaciones habituales, sino que obedecían a unas normas más abstractas. La típica imagen de los electrones que orbitan alrededor del núcleo atómico como los planetas alrededor del sol se difuminaba y se convertía en una espesa niebla de parámetros en la que se podían distinguir los patrones de aquellas matrices que operaban entre ellas con un álgebra diferente. Heisenberg había hecho con los átomos lo mismo que Newton con los planetas.

¿Qué significa la física cuántica

Más allá de que unas matemáticas extrañas explicaran los resultados de los experimentos, la pregunta que rápidamente se formuló la comunidad científica al ver las matrices de Heisenberg fue si aquellas matemáticas, por ser extrañas, nos estaban diciendo que la realidad física era diferente a lo que siempre se había pensado. "Esta es la gran pregunta", afirma Gemma de les Coves, investigadora ICREA en física teórica en la Universidad Pompeu Fabra. "Esta es la pregunta más difícil en el ámbito de la divulgación científica", considera Lluís Masanes, investigador y profesor de información cuántica en el University College de Londres. Y como todas las grandes preguntas, no tiene respuesta clara.

Desde que Heisenberg publicó su hallazgo, la teoría cuántica no ha parado de alcanzar éxitos, tanto científicos como tecnológicos. Ha permitido construir el modelo estándar de la física de partículas, según el cual todo lo que vemos está hecho de diecisiete partículas, así como el desarrollo de la electrónica moderna. Y esto, sencillamente, ha cambiado el mundo. Paralelamente, se han desarrollado numerosas interpretaciones sobre el significado de la misteriosa estructura matemática que vertebra la teoría. De las Coves lo resume así: "Aunque ha habido un progreso remarcable, existe un desacuerdo masivo respecto a cómo debemos interpretar este formalismo". Masanes añade un matiz: "La comunidad científica está muy lejos del consenso, pero todas las propuestas tienen en común que la realidad es muy distinta a lo que experimentamos en nuestro día a día".

De Copenhague al Multiverso

Una de las interpretaciones más populares de la mecánica cuántica es la llamada "interpretación de Copenhague". Según esta versión, un sistema se comporta como si tuviera al mismo tiempo varios valores de cualquier propiedad física hasta el momento en que es observado, cuando el valor se concreta en uno solo. Es decir, una partícula puede comportarse como si tuviera muchas velocidades simultáneamente hasta que se le hace una medida. Se encuentra entonces un solo valor para su velocidad. De ahí nace el famoso experimento mental del gato de Schrödinger, que estaría vivo y muerto al mismo tiempo hasta que se abre la caja y se define si todavía maúlla o ya cría malvas.

Una pregunta natural que se puede hacer si se acepta esta interpretación es qué ocurre con el resto de valores posibles que no se han obtenido en la medida. Una de las respuestas más curiosas la dio el físico Huge Everett en 1957 en una atrevida interpretación que ha ganado adeptos en las últimas décadas: cuando se hace una medida y se obtiene un valor (de la velocidad de una partícula, por ejemplo), el resto de valores posibles no se esfuman sino, de cada uno en su universo. Si abriéramos la caja y sintiéramos un maullido, habría otro universo donde el felino más famoso de la ciencia habría pasado a mejor vida. He aquí, pues, el famoso multiverso.

Pese a haber obtenido éxitos abrumadores a la hora de predecir los resultados de los experimentos y haber generado aplicaciones tecnológicas que han cambiado el mundo, la interpretación del hallazgo que hizo Heisenberg en aquel islote del mar del Norte sigue siendo, pues, un quebradero de cabeza. Gema de las Cuevas explica que en el último congreso en el que participó, celebrado precisamente en Helgoland hace pocas semanas, afirmó ante todo el auditorio, después de veinte años de estudiarla: "Yo no entiendo la mecánica cuántica". Y, a continuación, explicó qué es lo que no entendía. "Me pareció que era lo interesante que podía decir", asegura. "Creo que es una lección de humildad y, ciertamente, es una visión que va en contra de la ciencia como un todo cerrado y arrogante, como una suerte de oráculo que tiene la respuesta de todo, porque es exactamente lo contrario", concluye.