Stephen Hawking: El Gran Diseño

En los anillos de Newton, los anillos brillantes están situados a distancias del centro donde la separación entre la lente y la superficie reflectante es un número entero (1, 2, 3…) de longitudes de onda. Eso significa que la onda reflejada por la lente coincide con la onda redejada por el plano, cosa que produce una interferencia constructiva. En cambio, los anillos oscuros están situados a distancias del centro donde la separación entre las dos ondas reflejadas es un número semientero (1/2, 3/2, 5/2,…) de longitudes de onda, produciendo interferencia destructiva -la onda reflejada por la lente se anulan con la onda reflejada por el plano-.

En el siglo xix, esa observación se consideró como una confirmación de la teoría ondulatoria de la luz, que demostraba que la teoría corpuscular era errónea. Sin embargo, a comienzos del siglo xx Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico utilizado actualmente en los televisores y las cámaras digitales podía ser explicado por el choque de un corpúsculo o cuanto de luz contra un átomo arrancando uno de sus electrones. Así pues, la luz se comporta como partícula y como onda.

El concepto de onda probablemente entró en el pensamiento humano como consecuencia de contemplar el mar o estanques agitados por la caída de algún guijarro. De hecho, si lanzamos a la vez dos guijarros en un estanque podemos advertir cómo funciona la interferencia, tal como se ilustra en la figura siguiente. Se observó que otros líquidos se comportaban de una manera semejante, salvo tal vez el vino, si hemos bebido demasiado. La idea de corpúsculo resultaba familiar a causa de las rocas, los guijarros o la arena, pero la dualidad onda/partícula -la idea de que un objeto puede ser descrito como una onda o como una partícula- era algo completamente ajeno a la experiencia cotidiana, tal como lo es la idea de que podamos bebemos un fragmento de roca arenisca.

Dualidades como ésta -situaciones en que dos teorías muy diferentes describen con precisión el mismo fenómeno- son consistentes con el realismo dependiente del modelo. Cada teoría describe y explica algunas propiedades, pero no se puede decir que ninguna de las dos teorías sea mejor ni resulte más real que la otra. Parece que con las leyes que rigen el universo ocurra lo mismo y que no haya una sola teoría o modelo matemático que describa todos los aspectos del universo sino que, tal como hemos dicho en el primer capítulo, se necesite una red de teorías, la de la denominada teoría M. Cada teoría de dicha red describe adecuadamente los fenómenos dentro de un cierto intervalo y, cuando sus intervalos se solapan, las diversas teorías de la red concuerdan entre sí, por lo cual decimos que son partes de la misma teoría. Pero no hay una sola teoría de dicha red que pueda describir todos y cada uno de los aspectos del universo -todas las fuerzas de la naturaleza, las partículas que experimentan dichas fuerzas, y el marco espacial y temporal en que tiene lugar todo eso-. Aunque esa situación no satisface el sueño tradicional de los físicos de obtener una sola teoría unificada, resulta aceptable en el marco del realismo dependiente del modelo.

Analizaremos con mayor detalle la dualidad y la teoría M en el capítulo 5, pero antes dirigimos nuestra atención a un principio fundamental sobre el cual reposa nuestra visión moderna de la naturaleza, la teoría cuántica y, en particular, su formulación mediante historias alternativas. En esta visión, el universo no tiene una existencia única o una historia única, sino que cada posible versión del universo existe simultáneamente en lo que denominamos una superposición cuántica. Eso puede sonar tan escandaloso como la teoría según la cual la mesa desaparece cuando salimos de la habitación, pero en este caso la teoría ha superado satisfactoriamente cada una de las pruebas experimentales a que ha sido sometida.

En 1999, un equipo DE FÍSICOS austríacos lanzó una serie de moléculas que tienen forma de balón de fútbol contra una barrera. Dichas moléculas, constituidas por sesenta átomos de carbono, se denominan habitualmente fullerenos, en homenaje al arquitecto Buckminster Fuller, que construyó cúpulas con esa forma. Las cúpulas geodésicas de Fuller eran probablemente las mayores estructuras existentes con forma de pelota de fútbol. Los fullerenos, en cambio, son las más pequeñas. La barrera hacia la cual los científicos lanzaron sus moléculas tenía dos rendijas a través de las cuales podían pasar los fullerenos. Más allá de la barrera, los físicos situaron una especie de pantalla que detectaba y contaba las moléculas emergentes.

Si tuviéramos que diseñar un experimento análogo con balones de fútbol reales, necesitaríamos un jugador con una puntería algo incierta pero capaz de lanzar la pelota con la velocidad escogida. Situaríamos al jugador frente a la pared en la que hay las dos rendijas. Más allá de la pared, y paralela a ella, pondríamos una larga red. La mayoría de los lanzamientos del jugador chocarían con la pared y rebotarían, pero algunos pasarían por una u otra de las rendijas y llegarían a la red. Si las rendijas fueran ligeramente más anchas que el balón, emergerían de ellas dos haces altamente colimados de balones hacia el lado opuesto. Si las rendijas fueran todavía un poco más anchas, cada haz se ensancharía un poco, tal como se observa en la figura.

Observemos que si obturáramos una de las rendijas, el haz de balones correspondiente ya no pasaría, pero ello no tendría ningún efecto sobre el otro haz. Si volviéramos a abrir dicha rendija, tan sólo aumentaría el número total de balones que llegarían a cada punto de la red, ya que llegarían todos los balones que pasan por la rendija que había quedado abierta más los balones que hubieran pasado por la rendija que acabamos de abrir. Lo que observamos con las dos rendijas simultáneamente abiertas es, en otras palabras, la suma de lo que observamos con cada una de las rendijas abiertas por separado. Esta es la realidad a que estamos acostumbrados en la vida corriente, pero no es eso lo que los investigadores austríacos hallaron al lanzar sus moléculas.

En su experimento, al abrir la segunda rendija observaron, en electo, un aumento del número de moléculas que llegaban a algunos puntos de La pantalla, pero una disminución del número de moléculas que llegaban a otros puntos, tal como se ve en la figura. De hecho, había puntos a los que no llegaba ningún fullereno cuando ambas rendijas estaban abiertas pero a los cuales llegaban cuando una cualquiera de las dos rendijas estaba abierta y la otra cerrada. Eso debería parecemos muy extraño: ¿cómo puede ser que abrir una segunda rendija haga que lleguen menos moléculas a algunos puntos?

Podemos conseguir una pista para la respuesta examinando los detalles. En el experimento, muchos de los balones van a parar al punto que está en medio de los puntos donde esperaríamos que fueran a parar los balones si pasaran por una rendija o por la otra. Un poco más al lado de dicha posición central llegan muy pocas moléculas, pero un poco más allá, se vuelve a observar la llegada de muchas moléculas. Este patrón no es la suma de los patrones formados cuando una de las rendijas estaba abierta y la otra cerrada, sino que se puede reconocer en él el patrón característico de la interferencia de las ondas, que hemos visto en el capítulo 3, Las zonas donde no llegan moléculas corresponden a regiones en que las ondas emitidas por las dos rendijas llegan en oposición de fase y producen por lo tanto interferencia destructiva; las zonas donde llegan muchas moléculas corresponden a regiones en que las ondas llegan en fase, y producen interferencia constructiva.

En los primeros dos mil años de pensamiento científico, aproximadamente, la experiencia ordinaria y la intuición constituyeron la base de la explicación teórica. A medida que mejoramos la tecnología y expandimos el dominio de fenómenos observables, empezamos a hallar que la naturaleza se comportaba de maneras cada vez menos parecidas a las de la experiencia cotidiana, y por lo tanto menos acordes con nuestra intuición, como lo pone en evidencia el experimento con los fullerenos. Ese experimento es típico de la clase de fenómenos que no pueden ser explicados mediante la ciencia clásica, pero sí están descritos por lo que se denomina la física cuántica. De hecho, Richard Feynman escribió que el experimento de la doble rendija como el que hemos descrito «contiene todo el misterio de la mecánica cuántica».