El desarrollo de la teoría cuántica fue «la coronación intelectual del último siglo», dice el físico John Preskill, del California Institute of Technology. Es el principio que subyace tras numerosos aparatos de hoy, desde los láseres hasta las máquinas de re- sonancia magnética. Y puede que éstos sean sólo los frutos de las ramas más bajas. Mu- chos científicos auguran tecnologías revo- lucionarias basadas en las ciertamente ex- trañas propiedades del mundo cuántico.
Business Week, 15 de marzo de 2004 En la cuarta semana de nuestro curso sobre el «Enigma cuántico», dirigido a estudiantes no especializados en ciencias (aunque siempre hay algunos estudiantes de física), nos habíamos internado un buen trecho en los misterios cuánticos. La mano de una joven se alzó con una pregunta: «¿Tiene alguna utilidad práctica la mecánica cuántica? Yo (Bruce) me quedé mudo durante al menos diez segundos. En la estrechez de mi pers- pectiva de físico, había dado por sentado que todo el mundo tenía claro el fundamento cuántico de nuestra tecnología. Dejé a un lado mis notas y dediqué el resto de la hora a hablar de aplicaciones prácticas de la me- cánica cuántica.
Este breve capítulo es una digresión sobre el mismo tema. El obje- tivo de nuestro libro es presentar los hechos incuestionables que revelan el encuentro de la física con la conciencia. Pero esos mismos hechos cuánticos son la base no sólo de la ciencia moderna, sino de la tecnolo- gía actual. Tras las cuestiones de altos vuelos del capítulo anterior, es bueno tomar contacto con suelo firme antes de volver a despegar.
La mecánica cuántica es esencial para toda la ciencia natural. Cuando los químicos hacen algo más que aplicar reglas empíricas, sus teorías son fundamentalmente mecanocuánticas. Por qué la hierba es verde, qué hace
que el Sol brille, o cómo se comportan los quarks dentro de los protones son cuestiones que requieren una respuesta mecanocuántica. La natura- leza aún por comprender de los agujeros negros o del Big Bang se estu- dia en términos cuánticos. Las teorías de supercuerdas que podrían tener la clave de tales asuntos parten todas de la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica es la teoría más correcta de toda la ciencia. Una prueba extrema es el cálculo de la «razón giromagnética del elec- trón» con una precisión de una billonésima. (Lo que es la razón giro- magnética no nos importa aquí.) Medir algo con tanta exactitud es como medir la distancia de un punto en Nueva York a un punto en San Fran- cisco con un margen de error menor que el grosor de un cabello humano. Pero se hizo, y la predicción de la teoría dio en el clavo.
La mecánica cuántica funciona bien en ciencia, ¿pero cuál es su im- portancia práctica? De hecho, un tercio de nuestra economía tiene que ver con productos basados en la mecánica cuántica. Aquí describiremos tres tecnologías cuyos aspectos cuánticos saltan a la vista: el láser, el transistor y las imágenes por resonancia magnética. No entraremos en detalles: nuestra intención es mostrar el lugar de los fenómenos cuánti- cos en el cuadro del manejo por los físicos e ingenieros de las propie- dades aparentemente contradictorias de las entidades microscópicas.
El láser
Los láseres son muy variados. Algunos miden muchos metros y pe- san toneladas. Otros miden mucho menos de un milímetro. El haz de luz roja que lee los códigos de barras en las cajas de los supermercados pro- cede de un láser. También es un láser lo que lee los discos compactos y escribe en las impresoras láser. Un láser potente puede horadar el hormi- gón. Los láseres generan la luz para la comunicación por fibra óptica, tienden líneas para los topógrafos y guían «bombas inteligentes». Con un láser muy enfocado, un cirujano puede reparar una retina despegada.
Un láser genera un haz no divergente de luz de cierta frecuencia que puede enfocarse hasta un punto diminuto. El principio físico esencial es la «emisión de radiación estimulada»: cuando un fotón de la frecuencia ade- cuada golpea un átomo excitado, estimula la emisión de un segundo fotón de la misma frecuencia que viaja en la misma dirección (un clon). Donde antes teníamos un fotón, ahora tenemos dos fotones idénticos. Si mantene- mos muchos átomos en un estado excitado, el proceso continúa como una reacción en cadena produciendo numerosos fotones idénticos. «Láser» es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Un problema que el diseñador de un láser debe resolver es que la probabilidad de que un fotón golpee un átomo al atravesar una sola vez el material emisor de luz es pequeña. Por eso la luz se hace pasar una y otra vez a través del material, resonando entre un par de espejos. Una cuerda de guitarra resonante debe vibrar en un número entero de longi- tudes de onda. Igualmente, los espejos de un láser deben estar separados por un número entero de longitudes de onda de luz. Uno de los espejos es semitransparente, lo que permite que una parte de la luz salga del lá- ser a cada rebote.
Nótese que hemos pasado de hablar de la luz como un flujo de foto- nes compactos, cada uno de los cuales golpea un único átomo, a hablar de una onda extendida entre dos espejos macroscópicos. (Esto es análogo al átomo de nuestro ejemplo, que podía estar compactado en una sola caja o distribuido entre dos cajas.)
El transistor
El transistor es la invención más importante del siglo XX. Sin él, nada
que dependa de la electrónica moderna sería posible. El transistor puede actuar como conmutador, permitiendo o no que fluya la corriente eléc- trica, o como amplificador, tomando una señal eléctrica débil y transfor- mándola en otra más potente. Antes de la invención del transistor en los años cincuenta, estas operaciones corrían a cargo de válvulas de vacío. Cada válvula tenía el tamaño de un puño, generaba casi tanto calor como una bombilla y costaba unos cuantos dólares.
Hoy día caben mil millones de transistores en un solo microprocesa- dor, y cada uno cuesta una millonésima de centavo y ocupa una millo- nésima de milímetro. Un ordenador personal puede tener más de diez mil millones de ellos. Si tuviéramos que emplear válvulas de vacío, un or- denador con la potencia de un portátil moderno sería ridículamente caro, ocuparía un vasto territorio y requeriría toda la energía eléctrica gene- rada por la central de una gran ciudad.
Los transistores están por todas partes: en los televisores, en los ve- hículos, en los teléfonos móviles, en los hornos de microondas y en los relojes de pulsera. La vida moderna depende del transistor. En el año 2005 se manufacturaron más de cien mil millones de transistores... cada segundo.
La mayoría de transistores se basa en el silicio, cada átomo del cual tiene catorce electrones. De éstos, cuatro son «electrones de valencia» que enlazan cada átomo de silicio con sus vecinos. Los otros diez elec-
trones se mantienen ligados al núcleo padre, pero cada electrón de va- lencia se extiende por el cristal de silicio como una onda. Cada electrón de valencia está en todas partes del cristal simultáneamente.
Los electrones directamente implicados en las funciones de conmu- tación o amplificación del transistor son otra historia. Éstos pueden ser liberados por átomos de fósforo añadidos al cristal de silicio. Los dise- ñadores de transistores deben tener en cuenta que estos «electrones de conducción» liberados pueden verse frenados al toparse con átomos ex- traños individuales o quedar atrapados por tales impurezas. Deben tra- tarlos como objetos compactos a escala atómica.
¿Cómo se las arreglan los ingenieros y físicos que diseñan láseres y transistores para manejar fotones y electrones que unas veces son más pequeños que un átomo y otras veces abarcan distancias macroscópicas? Lo consiguen cultivando una esquizofrenia benigna. Simplemente apren- den cuándo pensar de una manera y cuándo de otra. Y, a todos los efec- tos prácticos, con eso basta.
Imágenes por resonancia magnética
La resonancia magnética genera imágenes claras y detalladas de cualquier tejido del cuerpo. Va camino de convertirse en la herramienta de diagnóstico más importante de la medicina. Las máquinas de imáge- nes por resonancia magnética todavía son voluminosas y caras (cuestan más de un millón de dólares). Un examen con esta técnica puede costar bastante más de mil dólares. Por fortuna, el tamaño y los costes se están reduciendo a la vez que aumenta la capacidad de diagnóstico.
Las imágenes por resonancia magnética determinan la distribución de un elemento dado, normalmente el hidrógeno, en un material concreto de la región del cuerpo examinada. Los diferentes tejidos, hueso o carne, tu- moral o normal, quedan delineados por las concentraciones variables de una sustancia química particular.
Los detalles de esta técnica son complicados, pero lo único que que- remos destacar es que, como en los casos del láser y del transistor, los físicos e ingenieros que diseñan dispositivos de resonancia magnética de- ben recurrir explícitamente a la mecánica cuántica. La idea básica es la resonancia magnética de los núcleos atómicos. (Inicialmente la técnica se llamaba «resonancia magnética nuclear», antes de que se eliminara la inquietante última palabra.)
Los núcleos atómicos son como pequeños imanes con un polo norte y un polo sur. En un campo magnético, el núcleo de hidrógeno, que es un
protón, está «cuantizado espacialmente». Esto es, tiene dos estados: en uno, su polo norte está orientado hacia arriba respecto del campo magné- tico, y en el otro hacia abajo. En una máquina de resonancia magnética, una onda de radio de la frecuencia apropiada coloca los núcleos de hi- drógeno situados en la zona del cuerpo que se quiere retratar en un es- tado de superposición cuántica tal que los polos norte apuntan hacia arriba y hacia abajo simultáneamente. Estos núcleos emiten ondas electromag- néticas al volver a su estado de baja energía, y la cantidad de esta radia- ción revela su concentración. Luego un ordenador compone la imagen. Una pieza fundamental de la mayoría de dispositivos de resonancia magnética es un imán superconductor de varias toneladas mantenido a una temperatura de apenas unos grados por encima del cero absoluto. En un metal superconductor, los electrones se condensan en un estado cuán- tico tal que todos se mueven como una unidad. Cada electrón está si- multáneamente en todos los puntos de una masa de metal de casi una to- nelada. Una vez se les da un empuje inicial, no se requiere ninguna potencia eléctrica para mantener la corriente de electrones y el campo magnético.
Las imágenes por resonancia magnética son posibles por la con- fluencia de los fenómenos cuánticos responsables de la resonancia mag- nética nuclear, la superconductividad y el transistor. Cada una de estas tecnologías, igual que la del láser, ha valido un Premio Nobel de física, el último por la técnica de la resonancia magnética en 2004.
El futuro
Puntos cuánticos. La implicación de la mecánica cuántica en la tec- nología y la biotecnología se expande rápidamente. En 2003, la revista Science citó la investigación de los «puntos cuánticos» como uno de los principales avances científicos del año. Los puntos cuánticos, constitui- dos por unos cientos de átomos, son construcciones artificiales con to-
das las propiedades cuánticas de un solo átomo. Algunos se han conce- bido para revelar el funcionamiento del sistema nervioso o actuar como detectores ultrasensibles del cáncer de mama. Cuando se les acoplan electrodos, los puntos cuánticos pueden emplearse para controlar co- rrientes como transistores ultrarrápidos o para procesar señales ópticas. Esperamos oír hablar mucho de los puntos cuánticos en el futuro.
Ordenadores cuánticos. Un elemento operativo de un ordenador di- gital clásico debe estar en uno de dos estados: «0» o «1». Un elemento operativo «no observado» en un ordenador cuántico puede estar en un estado de superposición de «0» y «1» simultáneamente. Esto se parece mucho a la situación descrita en el capítulo anterior, donde un único átomo no observado se encontraba en un estado de superposición tal que estaba simultáneamente en dos cajas.
Mientras que cada elemento de un ordenador clásico sólo puede efec- tuar una computación cada vez, la superposición permite a cada elemento de un ordenador cuántico efectuar numerosas computaciones simultánea- mente. Este vasto paralelismo permitiría a un ordenador cuántico resolver en minutos ciertos problemas que a un ordenador clásico le llevarían mil millones de años. No obstante, las aplicaciones comerciales no son inmi- nentes. Los ordenadores cuánticos tropiezan con importantes dificultades técnicas, pero se están investigando.
Los ingenieros y físicos que trabajan con las tecnologías citadas pue- den tratar de manera íntima y cotidiana con la mecánica cuántica, pero no tienen por qué afrontar las cuestiones más profundas que plantea. Muchos ni siquiera son conscientes del problema. Al enseñar mecánica cuántica, los físicos, nosotros incluidos, minimizamos el aspecto enigmático. No distraemos a los estudiantes del conocimiento práctico que necesitarán en el futuro. También evitamos el enigma porque resulta un tanto embara- zoso. Se ha dicho que es nuestro «secreto de familia». En el capítulo 9 vamos a mirarlo de frente.