principio de incertidumbre de Heisenberg

Dos bailarines en un mismo escenario repiten los movimientos del otro incluso cuando un telón los separa. En el mundo cuántico, a esas parejas se les llama entrelazadas, y los físicos llevan medio siglo comprobando hasta dónde llega esa conexión. Hasta ahora, todas las pruebas con partículas masivas se referían a sus propiedades internas, como el espín, pero no al movimiento en sí.

Un cazador coloca trampas en el bosque. Conoce los hábitos de la bestia, pero no sabe si caerá en ellas. De manera similar, los físicos colocan detectores en un intento de atrapar partículas de materia oscura, una sustancia invisible que se cree constituye la mayor parte de la masa del universo.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

Imagina un viejo teatro envuelto en una niebla húmeda. En el escenario, una multitud de actores, pero solo uno es atrapado por el haz del proyector, que lo congela en un punto brillante. Los demás se arremolinan en la penumbra, listos para desvanecerse en cualquier momento. Esta imagen es la clave de uno de los modelos más ambiciosos de la conciencia.

La búsqueda del mínimo global en el modelo de vidrio de espín de Sherrington–Kirkpatrick se asemeja al ascenso a un glaciar, donde cada grieta es un traicionero mínimo local, y el verdadero fondo está sepultado bajo el caos de bloques de hielo. Un alpinista clásico que sigue el gradiente casi con certeza se congela en la grieta más cercana.

Fotografiar las alas de un colibrí con una cámara normal es obtener una mancha borrosa. Para una imagen nítida, se toman muchas fotos rápidas desde diferentes ángulos y se ensamblan, así se crea una «instantánea» cuántica. En el laboratorio, los científicos «palpan» las oscilaciones de un diminuto espejo con un rayo láser.

El entrelazamiento cuántico — fenómeno en el que los estados de dos o más partículas están correlacionados independientemente de la distancia entre ellas — suele vincular propiedades internas como el espín o la polarización.

La materia cuántica rara vez nos regala el espectáculo del movimiento autopropulsado. Mientras que el mundo clásico está lleno de bandadas de estorninos, cardúmenes de peces y bacterias ajetreadas, la termodinámica cuántica permaneció en calma durante mucho tiempo.

En física nuclear reinó durante mucho tiempo la convicción de que dos neutrones no pueden formar un estado ligado: se atraen demasiado débilmente y se dispersan de inmediato. Sin embargo, en la superficie de los núcleos ricos en neutrones, donde la densidad de la materia cae a milésimas de la nuclear normal, la situación cambia radicalmente.

Un objeto común se mueve en una trayectoria predecible, como una pelota. En el mundo cuántico, la partícula está difuminada en una nube de probabilidad. Para ver orden en esta niebla, los científicos reescribieron la ecuación de Schrödinger en el lenguaje del agua corriente.

El río del tiempo podría no ser un flujo suave, sino una sucesión de pasos diminutos, como una filmación cuadro a cuadro con una cámara inimaginablemente rápida. En 1964, Y. A. Golfand sugirió que el tiempo no avanza de forma continua, sino a saltos diminutos, y derivó una ecuación que predecía el inevitable aumento del desorden (entropía).

El núcleo atómico rara vez es una esfera perfecta. Más a menudo se parece a un balón ligeramente abollado: la carga eléctrica en su interior se distribuye de manera desigual, y los protones pueden desplazarse un poco, creando una diminuta protuberancia «en forma de pera».

Los conos de luz no tratan sobre la luz, sino sobre las fronteras en el espacio-tiempo que separan las causas de los efectos. Estos conos no son rígidos: un objeto masivo los curva, como una bola pesada que hunde una lámina elástica.

Una fotografía de muy alta resolución se puede ampliar durante mucho tiempo — y de repente una cara lisa se descompone en píxeles individuales. Algo parecido, según un nuevo trabajo, ocurre con el propio espacio-tiempo. Los autores han propuesto que los diminutos intervalos de longitud no son «piezas» prefabricadas del universo, sino resultados de mediciones.

El mundo cuántico juega un extraño juego con la causalidad. Si en la vida cotidiana siempre se echa sal a la sopa antes de servirla, aquí los ingredientes aparecen en el plato al mismo tiempo y el cocinero no recuerda el orden. Los físicos se preguntaron: ¿se puede medir esta 'receta'? La respuesta es no.

El mundo cuántico es conocido por sus incertidumbres: por ejemplo, no se puede medir simultáneamente la posición de una partícula y su velocidad.

El mundo cuántico se suele dibujar con puntos, pero los instrumentos reales solo ven manchas borrosas. Heisenberg y von Neumann sospecharon desde hace tiempo: la precisión es inalcanzable.

En 1867, James Clerk Maxwell propuso una imagen que sigue inquietando a los físicos. Dos compartimentos con gas están separados por una puerta. Las moléculas se agitan caóticamente: rápidas y lentas. Un diminuto portero abre la puerta solo ante las rápidas, dejándolas pasar a un lado, y a las lentas, al otro.

Dos partículas se comportan como un par de dados inusuales: lanzados en diferentes extremos del Universo, siempre caen igual. El físico John Bell calculó: si los dados tuvieran reglas ocultas, la frecuencia de coincidencias tendría un límite estricto.

Cuatro pequeños charcos, y en ellos chapotean gotas de un líquido superfluido. Estas gotas son átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y unidos en pares, como pequeños imanes. Cuando toda la estructura gira, el líquido fluye entre los charcos. Basta con contar cuántas gotas hay en cada uno para conocer el ángulo y la velocidad de rotación.

Lanza una piedra a un estanque: se formarán ondas en el agua. Si lanzas dos piedras cerca, las ondas se cruzarán, creando un patrón de ondas reforzadas y anuladas. Esto es la interferencia.

El Universo es como un globo que se infla. La mecánica cuántica prohíbe medir con precisión al mismo tiempo cuán grande es y qué tan rápido se expande. Este principio impregna el cosmos: una nueva ecuación afirma que la expansión del Universo y su tamaño están ligados por una incertidumbre fundamental.

Las luciérnagas destellan en un bosque oscuro: se ve cada destello, pero no el vuelo. El microscopio de gas cuántico puede mostrar átomos fríos individuales, como esas luciérnagas. Pero hasta ahora no podía decir a qué velocidad se movían. Ahora los científicos han encontrado la manera de solucionarlo.

Se lanzan dos monedas en ciudades distintas, pero siempre caen del mismo lado. Los físicos llaman a esto entrelazamiento: las partículas se comportan como si hubiera un hilo invisible entre ellas. Pero ¿y si el hilo no fuera instantáneo, sino simplemente muy rápido, aunque sin superar la velocidad de la luz?

En el disco protoplanetario —la nube de gas y polvo que rodea a una estrella joven— las motas de polvo no se limitan a volar en círculos. Son arrastradas por la corriente de gas, como la arena por el viento, y a su vez modifican esa corriente.

El mundo de la física funciona como una caja de música: tiene un regulador de velocidad. Si lo giras lentamente, la melodía es estricta: las bolas ruedan por trayectorias definidas (mecánica clásica). Aceleramos y las notas se funden en un acorde: la partícula está en muchos sitios a la vez, puras probabilidades (modo cuántico).

La ecuación de difusión es una foto borrosa de una multitud de partículas: en ella, una perturbación se extiende instantáneamente por todo el Universo, desafiando la teoría de la relatividad. El misterio se agravaba por su conexión con el aumento de la entropía (medida del desorden).

Según las leyes de la física, nada puede superar a la luz, de lo contrario, para algunos observadores, el efecto ocurriría antes que la causa. Artur Ekert y Andrzej Dragan demostraron que esta situación genera una incertidumbre similar a la cuántica.

Un sensor cuántico es como una línea telegráfica que transmite un mensaje hipersensible. La más mínima interferencia distorsiona la señal. Antes se creía que para una medición precisa se necesitaba un «telegrafista» sin errores: un sistema ideal de corrección de errores. Pero en la práctica, todos los elementos hacen ruido.

La agua tranquila de un lago: la más mínima ondulación desdibuja la profundidad. De igual manera, en los sensores cuánticos, el ruido —vibraciones aleatorias— genera entropía (desorden) y mata la precisión. Los físicos encontraron una salida: enredar el orden de los eventos.

El espacio-tiempo a distancias ultrapequeñas se asemeja a una pantalla digital: no es liso, sino que está compuesto por diminutos «píxeles».

El muón es un diminuto trompo que gira en el turbulento mar del vacío. Su eje magnético apunta ligeramente desviado de lo que predice el Modelo Estándar. La desviación es de apenas unas millonésimas, pero para los físicos es todo un enigma. El vacío no es una calma muerta.

En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen propusieron un experimento mental que, según ellos, revelaba la incompletitud de la mecánica cuántica. Dos partículas se separan tras interactuar, y medir el momento de una de ellas proporciona al instante un conocimiento exacto del momento de la otra.