La naturaleza, tras un examen minucioso, resulta cuantificada. Nadie se dio cuenta de esto hasta principios del siglo XX, pero este aspecto inesperado de la realidad tiene profundas implicaciones para hacer que nuestro universo sea habitable. La relativa inobservabilidad de los efectos cuánticos en nuestra experiencia normal de la vida se debe a su ámbito de manifestación, que aparece en el nivel de tamaño atómico. Esta realidad subyacente de la naturaleza descansa sobre una base que habla de la importancia de la información, la mente y la intención.

El físico Max Planck invocó por primera vez la cuantización de la energía radiada de un objeto llamado cuerpo negro (en la lengua vernácula común, un trozo de carbón). Normalmente, un trozo de carbón, incluso si se calienta, no es particularmente peligroso, pero sin cuantificación, la física clásica predijo una emisividad infinita (densidad de energía de sus emisiones) en el extremo de longitud de onda corta del espectro de radiación. Este problema potencial se denominó catástrofe ultravioleta. Pero, gracias a los efectos cuánticos, la emisividad de un trozo de carbón en realidad es moderada, y una barbacoa de verano en el patio trasero no incinera el vecindario.

Entre 1913 y 1915, el físico danés Niels Bohr aplicó el nuevo concepto de cuantización para lograr un modelo estable del átomo de hidrógeno. Investigaciones experimentales anteriores de la estructura del átomo, realizadas por Ernst Rutherford, dieron lugar al familiar modelo planetario con electrones orbitando alrededor de un núcleo. Sin embargo, la teoría electrodinámica clásica señalaba que la aceleración del electrón en su órbita haría que emitiera radiación electromagnética, robando energía del movimiento orbital del electrón y haciendo que entrara en espiral en el núcleo en aproximadamente un nanosegundo. Sin efectos cuánticos, no habría átomos, ni química, ni vida.

Cómo la mecánica cuántica lo logra

¿Cómo nos salva la mecánica cuántica de la precipitada autodestrucción de los átomos? Bohr audazmente planteó la hipótesis de que el momento angular orbital del electrón debe estar restringido a un múltiplo de la constante de Planck (h=6,626 × 10-34 Joule-seg) dividido por 2π. Estos valores restringidos o cuantificados proporcionan estados estacionarios para la órbita del electrón, evitando la implosión del átomo. La hipótesis de Bohr dio sus frutos cuando su teoría predijo cuantitativamente los niveles de energía del átomo de hidrógeno, coincidiendo con datos anteriores de la espectroscopia. Entonces, la existencia de la materia tal como la conocemos, formada por átomos con electrones en órbitas estables, es posible gracias a los efectos cuánticos.

Pero, ¿por qué la naturaleza exhibe cuantización? Esa es una pregunta profunda, y vale la pena hacerla. Aquí, podemos dar una respuesta parcial al considerar otra hipótesis física, establecida por Louis de Broglie en su tesis doctoral en la Universidad de París en 1924. Su hipótesis, expresada como una ecuación, dice simplemente, λ = h/p, donde h es la constante de Planck y p es el momento de una partícula. La relación h/p da la longitud de onda de una onda asociada con la partícula, un fenómeno completamente sin equivalente en la física clásica. Los experimentos de dispersión de electrones confirmaron la hipótesis de De Broglie un año después de su propuesta, y experimentos adicionales han afirmado de manera concluyente que las partículas de materia tienen una naturaleza ondulatoria.

Una profundidad de significado

La simple ecuación que expresa la hipótesis de De Broglie exhibe una profundidad de significado que es brillante. El desarrollo de sus ramificaciones ha dado lugar a toda la física de la mecánica cuántica, en la que la función de onda de una partícula se describe mediante la ecuación de Schrödinger. Las soluciones a esta ecuación revolucionaron nuestra comprensión de la escala atómica de la materia, basada en las propiedades ondulatorias de las partículas, como propuso originalmente De Broglie.

Otro ejemplo de cómo los efectos cuánticos permiten que la vida tal como la conocemos opere en el horno nuclear del Sol. Estrellas como nuestro Sol producen su energía en lo profundo de sus núcleos mediante la fusión de núcleos de hidrógeno en helio, un proceso que también convierte una pequeña cantidad de masa en energía, según la famosa ecuación de Einstein, E = mc2. La fusión de hidrógeno en helio requiere acercar los protones (núcleos de hidrógeno) lo suficiente como para permitir que la fuerza nuclear fuerte los una, lo que finalmente da como resultado un núcleo de helio de cuatro nucleones. Describo la contribución de los efectos cuánticos a la fusión nuclear en mi libro, Canceled Science (p. 96):

Como suele ser el caso, la historia se vuelve más interesante con una mirada más cercana. El rango de la fuerza nuclear fuerte es tan corto (alrededor de una milmillonésima parte de un metro) que la fuerza de repulsión entre las cargas positivas de los protones hace que sea casi imposible que se acerquen lo suficiente como para fusionarse a la temperatura central del Sol. Y, sin embargo, la fusión se produce allí. Existe una notable solución que involucra la función de onda de la mecánica cuántica del protón, en la que su esencia se extiende varios cientos de veces más de lo que sería de otra manera. Esto permite que ocurra el proceso de fusión que da vida en el Sol. Sin la función de onda cuántica extendiendo el alcance del protón, la temperatura del Sol tendría que ser más de cien veces mayor para poder producir energía por fusión. La masa de nuestro Sol es demasiado pequeña para que la gravedad produzca la compresión suficiente para calentar tanto su núcleo, por lo que no se produciría fusión sin los efectos cuánticos adicionales. La luz del sol es algo asombroso, y sin esta coordinación de varias propiedades de la naturaleza, el Sol no brillaría y no estaríamos aquí.

Efectos cuánticos, información y la mente

Volviendo a la pregunta planteada anteriormente, por qué la naturaleza exhibe efectos cuánticos, el famoso físico estadounidense John Wheeler trazó una conexión entre los efectos cuánticos, la información y la mente. Wheeler hizo la famosa pregunta: «¿Cómo se originó el cuanta?»1 Su comprensión de la naturaleza cuántica de la realidad lo llevó a la conclusión de que la realidad es, en su forma más básica, la respuesta a una pregunta de sí o no.

Wheeler acuñó el aforismo «It from bit» para describir su convicción, nacida de los muchos descubrimientos en física de partículas y cosmología en el siglo XX, de que la información (caracterizada por el término de almacenamiento informático «bit») precedía y producía todo lo demás que «es” (»it» en inglés).

CANCELED SCIENCE, P. 209

El físico cuántico Anton Zeilinger, al revisar las contribuciones de Wheeler sobre los fenómenos cuánticos, observa esta misma conexión entre los descubrimientos de la física moderna y lo que él denomina “conocimiento antiguo”. Como afirma Zeilinger (citado en mi libro):

En conclusión, bien puede decirse que la información es el núcleo irreductible del que fluye todo lo demás. Entonces, la pregunta de por qué la naturaleza aparece cuantizada es simplemente una consecuencia del hecho de que la información misma está cuantizada por necesidad. Incluso podría ser justo observar que el concepto de que la información es fundamental es un conocimiento muy antiguo de la humanidad, atestigüe por ejemplo el comienzo del evangelio según Juan: “En el principio era el Logos”2.

CANCELED SCIENCE, P. 210

La física llega así a la conclusión de que la naturaleza se deriva fundamentalmente de la información, un resultado sorprendente que la tradición bíblica anticipó dos milenios antes. La naturaleza cuántica de nuestro universo incluye además la participación del observador para la formación de la realidad. El relato bíblico de la creación en Génesis enfatiza la acción de Dios al observar lo hecho: “Y vio Dios”. Puede que no sea demasiado exagerado sugerir que el hecho de que Dios viera el orden creado produjo el resultado deseado, «fue muy bueno».

Notas

  1. John Archibald Wheeler, “How Come the Quantum?” Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York, vol. 480:1, 304-316, (1986), https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1986.tb12434.x.
  2. Anton Zeilinger, “Why the Quantum? It from Bit? A Participatory Universe?: Three Far-reaching, Visionary Questions from John Archibald Wheeler and How They Inspired a Quantum Experimentalist,” Metanexus, http://www.metanexus.net/archive/ultimate_reality/zeilinger.pdf.

Artículo publicado originalmente en inglés por Eric Hedin Ph.D. en Evolution News & Science Today