Apuntes científicos desde el MIT

Imagínate un par de electrones como si fueran dos monedas idénticas en las que una marca cara y la otra cruz.

Ahora imagínate que ambas monedas poseen esta peculiar propiedad: van alternando cara y cruz a su aire, pero nunca están ambas en la misma posición. Forman parte de un mismo orbital atómico, y por algo llamado principio de exclusión de Pauli, siempre que una esté en cara, la otra marcará cruz. Si yo voy y giro una, la otra se girará automáticamente a la posición opuesta. Espera, no te vayas, continúa leyendo, valdrá la pena lo prometo. Te voy a explicar uno de los fenómenos más inverosímiles de la naturaleza.

Estábamos con esas monedas-electrones que van cambiando constantemente entre cara y cruz, pero que de alguna manera están entrelazadas: Según las leyes de la cuántica, nunca pueden estar ambas en cara o en cruz a la vez. Es físicamente imposible.

Imaginemos un poco más: Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. ¿Qué tendrás entonces? Dos monedas, una en NY y la otra en Bangkok, que en teoría van pasando de una posición a otra, pero continúan conectadas entre ellas. Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara. Y si hubieras abierto la misma caja unos milisegundos más tarde y te hubiera salido cara, la otra se habría colapsado en cruz inmediatamente (recalquemos el inmediatamente). Esto, en teoría cuántica. A la práctica… ¿creéis que esto podría llegar a suceder?

Vayamos ahora a ese apasionante primer tercio del siglo XX, en el que la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica competían para ver quien explicaba mejor la realidad del mundo que nos contiene.

Einstein no se tragaba algunas de las asunciones de la cuántica, sobre todo ese principio de indeterminación de un tal Heisenberg, según el cual en el mundo subatómico no había certezas y resultaba físicamente imposible conocer la posición y movimiento exactos de una partícula en un instante determinado. O esas atroces ecuaciones de su estrambótico colega Schrödinger, implicando que las partículas estaban dispersas en varios lugares a la vez y su estado sólo quedaba definido en el momento que alguien las observaba. “¡Claro que estaban definidas! ”, pensaba Einstein, ”y si la cuántica tenía indeterminaciones, debía ser porque todavía no estaba desarrollada del todo…”. Y para demostrarlo, en 1935 Einstein propuso junto con Podolsky y Rosen el experimento mental EPR, que reflejaba una situación análoga a las cajitas con monedas cara – cruz separadas miles de kilómetros de distancia.

En resumidas cuentas, lo que venía a decir Einstein era que si al abrir la caja de Nueva York ves a la moneda en cara, y de golpe la de Bangkok aparece en cruz, será que… ¡siempre habían sido cara y cruz respectivamente!!! ¿Qué historia era esa de que las partículas van cambiando de estado y comunicándose misteriosamente? Si al abrir la caja te hubiera salido cruz, pues esa moneda contenía la propiedad cruz. Y la otra cara. Y punto. ¿Por qué lo tenía tan claro Einstein? Porque siendo de otra manera se rompía un principio fundamental de las leyes de la naturaleza: “Si con la paradoja EPR coges dos partículas entrelazadas cuánticamente y te llevas una al otro extremo del sistema solar… físicos cuánticos locos; ¿me estáis diciendo que al observar una colapso inmediatamente la otra? Imposible! ¿pero no os dais cuenta que esto es una barbaridad?”. Este inmediatamente rompe con el principio relativista de que nada puede viajar más rápido que la luz. Ni siquiera la información. “¿O acaso tenéis alguna explicación coherente al experimento EPR?”, planteaba Einstein. En realidad, no la tenían. A lo único que podían aferrarse Schrödinger y Heisenberg era a sus ecuaciones matemáticas. La lógica en este caso estaba de parte de Einstein: Si le dices a un tipo en Bangkok que abra una caja y ve una moneda en cruz, no le hagas creer que segundos antes era cara. Bueno… eso quizás podría ser… pero lo que no cuela de ninguna manera es que otra moneda en New York vaya cambiando simultáneamente con la primera.

Lógico el planteamiento de Einstein, no?... Ja! Muerte a la lógica!!! Que le den al sentido común!!! Viva ciencia!!! Por muy inverosímil que os parezca, los físicos cuánticos tenían razón!!! Einstein andaba equivocado, y se hubiera comido su paradoja EPR si hubiera vivido más tiempo.

En 1964 el irlandés John Bell publicó un teorema que escondía un posible experimento para poner a prueba la paradoja EPR, y comprobar si la información podía viajar de manera inmediata entre dos partículas entrelazadas cuánticamente. Bell construyó su teorema con la idea de dar la razón a Einstein, y probar que dos partículas no podían estar correlacionadas hasta el grado que aseguraba la cuántica. Bell no llegó a realizar su experimento, pero en 1982 sí pudo hacerlo el francés Alain Aspect. ¿Y sabéis qué? Exacto!!! Contrariamente a lo que Bell y Einstein suponían, cuando por fin se pudo realizar el experimento EPR, quedó demostrado que dos fotones entrelazados cuánticamente sí podían comunicarse sus propiedades de manera instantánea a pesar de estar separados largas distancias. La paradoja EPR dio la razón a la cuántica, demostrando de nuevo que la realidad es más insólita de lo que podemos llegar a imaginar: Si tienes dos electrones entrelazados uno en NY y el otro en Bangkok, y al mirar a uno ves que es cara, el otro inmediatamente será cruz. Y si te hubieras esperado unos instantes y hubiera salido cruz, el otro sería cara. Fantástico!

Ah!, y no hay truco. Esto se ha corroborado en muchísimas otras ocasiones.

Si os sentís incrédulos, perplejos, pensáis que algo no encaja, o creéis que no habéis terminado de entender el fenómeno en profundidad… no os preocupéis; a la mayoría de físicos también les ocurre.

Quizás por eso, mientras unos intentan aprovechar las propiedades de este misterioso entrelazamiento cuántico en criptografía, computación cuántica, o teletransportación, otros nos quedamos simplemente ensimismados con las fabulosas elucubraciones filosóficas que el entanglement implica sobre la estructura de la naturaleza, fascinados con las viejas-nuevas historias, y expectantes de qué nuevas sorpresas nos irá deparando esta maravilla que es la comprensión científica del mundo.

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Me preguntaron si yo sabía qué era la antimateria y contesté: “Sí, la materia formada por antipartículas”. “¿Y qué son las antipartículas?”, prosiguió mi contertulio. “Partículas como las que conocemos, pero con carga opuesta. Por ejemplo, un antiprotón es un protón con carga negativa”. Me detuve al darme cuenta que en realidad no entendía qué diantre era la antimateria…

Por suerte en casa de Antonio había un físico. Le preguntamos. Tras el típico “No es mi campo” logramos arrancar la siguiente explicación: “la antimateria es como la materia ordinaria, pero con partículas de carga contraria. Como el positrón, que es un electrón con carga positiva”. Y se quedó tan ancho. “¿Pero qué es? ¿de dónde salen estas partículas?”, insistimos. “Ya os he dicho que no era mi campo…”

Alguien sacó un iPhone y leyó la entrada de Wikipedia : “la antimateria se compone de antipartículas de la misma manera que la materia de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (electrón con carga positiva) y un antiprotón (protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antihidrógeno…”

Desesperado, al llegar a casa envié un mail a Gonzalo , físico de partículas que trabaja con el CERN , preguntándole cuando podíamos charlar por Skype.

Gonzalo Merino

Investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

Pere: Gonzalo, ¿qué es la antimateria?

Gonzalo: Es la materia hecha de antipartículas…

P: Espera!!! Ya se; como el antiprotón y el antielectrón. Pero ¿qué es un antiprotón? ¿de dónde sale? Yo quiero entenderlo a un nivel fundamental!

G: Pues entonces debemos remontarnos al 1928 y hablar de Paul Dirac. De hecho es una historia muy bonita. Paul Dirac era un genio, el típico físico teórico que se pone a hacer cálculos, y con sus ecuaciones predice la existencia de algo que nadie ha visto antes.

P: ¿La antimateria?

G: Sí, en ese momento sólo fue una predicción matemática. Su existencia real se observó años después.

P: ¿Como la búsqueda del bosón de Higgs con el LHC, que estáis seguros de su existencia a pesar de no haberlo visto todavía?

G: Exacto, pero lo de Dirac fue mucho más notorio…

P: ¿Cómo “descubrió” la antimateria?

G: Uff… es difícil de explicar. A ver… A principios del siglo XX había varias revoluciones en marcha en el mundo de la física. En 1905 Einstein presentó su relatividad especial, que daba lugar a la famosa E=mc² de las camisetas, según la cual la materia y la energía eran intercambiables. La otra gran revolución era la cuántica de Heisenberg, Bohr y compañía… que describía el comportamiento de las partículas subatómicas. Ambas funcionaban muy bien, pero eran teorías separadas.

Lo que Paul Dirac intentaba hacer era unirlas matemáticamente; crear una mecánica cuántica relativista. En concreto lo que pretendía era poder describir el electrón, lo más sencillo que uno se podía imaginar. Entonces… al combinar las ecuaciones de la relatividad y la cuántica le apareció la “ecuación de Dirac”, cuyo resultado describía el electrón. Pero había algo curioso: la ecuación de Dirac tenía dos soluciones matemáticas, una negativa (que era el electrón de toda la vida) y otra idéntica, totalmente simétrica, pero con carga positiva. Concluyó que si sus ecuaciones eran ciertas, en algún sitio debía existir una partícula idéntica al electrón pero con carga positiva.

P: wow… ¿y más tarde se descubrió?

G: Si, si… 4 o 5 años después de que Dirac los predijera se observaron experimentalmente los positrones (electrones positivos).

P: …

G: Claro! Y luego se buscaron el resto de antipartículas… Dirac lo hizo para el electrón, pero si las matemáticas establecían que la naturaleza debía respetar esta simetría, para un protón también debía existir un antiprotón. Y así para toda la materia. Es un postulado.

P: Pero a ver… yo tengo en frente mío un ordenador hecho de átomos, que están constituidos de protones, de quarks, de electrones… ¿aquí hay antipartículas también?

G: No, no… todo lo que nos rodea es materia, no antimateria. Imagino que tu querrías saber dónde están las antipartículas, no?

P: Qué perspicaces sois los científicos…

G: Entonces… Estoooo…. Big Bang!!!

P: Big Bang???

G: Sí! Big Bang.

P: Háblame del Big Bang…

G: Bien. Tal y como lo conocemos ahora, toooooodo empezó hace 13.700 millones de años, en una concentración de temperatura y densidad infinita. Al principio todo era energía concentrada en un punto. Luego cuando el Universo empezó a expandirse se fue enfriando, y por E=mc² cierta energía comenzó a transformarse en materia. Pero claro! Según lo que comentamos de Dirac, en teoría se formaron tanto partículas como antipartículas. Pero, y esto es muy importante, otra cosa que sabemos es que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se anihilan y forman energía.

P: ¿y?

G: Vale. Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que ni nosotros ni nada existiría. Entonces, el hecho que tengas delante un ordenador hecho sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria. Lo que sabemos ahora es que… a ver que no me equivoque de ningún cero… por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Estos miles de millones se aniquilaron entre ellos, y las partículas “sueltas” de materia, las desapareadas, son las que empezaron a formar átomos, galaxias, tu ordenador y el mundo tal y como lo conocemos.

P: ¿Y esto sabéis seguro que fue así?

G: Sí, si… esto fijo, fijo. (risas). La prueba experimental viene del fondo de radiación de microondas.

Este fondo son los fotones que nos llegan del otro extremo del universo, que se originaron durante la aniquilación de la sopa de partículas y antipartículas. Hoy en día por cada partícula de materia que vemos en las galaxias, o donde sea, podemos contar mil millones de fotones del fondo de radiación de microondas.

P: Qué te iba a decir… por tanto, en principio ahora no queda nada de antimateria.

G: Bueno, la que los físicos creamos.

P: Explícate.

G: Es lo que se hace en el CERN, o en otros laboratorios de partículas. Hoy en día, si juntas suficiente energía en un punto puedes crear materia por la E=mc².

P: Y antimateria!

G: Claro, en cada colisión del CERN siempre se forman partículas y antipartículas. Las antipartículas se destruyen enseguida cuando chocan con las paredes del detector, pero nos da tiempo de registrarlas para estudiarlas.

P: En Ángeles y Demonios iban guardando la antimateria en una cajita para luego crear una bomba.

G: Ya, pero es imposible. Confinar antimateria es algo tremendamente complicado, porque se aniquila inmediatamente al encontrarse con cualquier átomo de materia. Se puede vonseguir con campos magnéticos, haciendo que no toque nada, pero es dificilísimo. Hay experimentos en el CERN que generan antielectrones y antiprotones, los enfrían hasta prácticamente frenarlos, los mantienen aislados de la materia, y llegan a construir átomos de antihidrógeno.

P: ¿Eso se ha logrado?

G: Sí, se han creado antiátomos de hidrógeno. Con ellos intentan averiguar cosas muy curiosas. Por ejemplo ¿cómo les afecta la gravedad? ¿caen hacia arriba o hacia abajo? ¿existe la gravedad negativa? A priori se deberían comportar igual… pero todavía no hay ninguna comprobación experimental.

P: Alucinante…

G: Sí, son experimentos pequeños pero muy cachondos. El LHC roba toda la atención del CERN, pero hay un montón de grupos pequeños haciendo investigaciones muy fundamentales, que podrían generar grandes sorpresas. Imagínate si contrariamente a lo esperado resulta que un antiátomo de hidrógeno sube por la gravedad en lugar de caer!

P: Fantástico. Entonces: tener para una bomba de antimateria queda descartado, no?

G: Totalmente. Porque aún suponiendo que se pudiera confinar, si el CERN se hubiera dedicado a guardar antimateria durante sus 50 años de historia, como máximo habría generado unos pocos nanogramos. Para fabricar la bomba de Ángeles y Demonios se necesitaría como mínimo un gramo. Tardaríamos mil millones de años en reunir esa cantidad. No tiene ningún sentido.

P: Oye, y lo del PET (Tomografía de Emisión de Positrones)?

G: Exacto. En la vida real también hay antipartículas, y el caso más típico es el PET que encontramos en los hospitales, que utiliza antipartículas para diagnosticar el cáncer.

P: ¿Cómo se generan?

G: Con radioactividad. Hay elementos que son radioactivos por naturaleza y se desintegran siguiendo una reacción nuclear. El PET es eso; te inyectan una sustancia radioactiva que al desintegrarse emite un positrón. Ese positrón inmediatamente encuentra un electrón de tu cuerpo y se aniquila generando energía, fotones. Lo que detecta el aparato son esos fotones, y con ellos genera una imagen del interior de tu cuerpo.

P: Qué grande la antimateria… Gonzalo, eres un crack.

Estimulado por vuestra fabulosa respuesta al post sobre libros de ciencia (espero que lo continuemos alimentando), me atrevo a proponeros un reto un poquito más difícil…

En “Chaos ”, James Gleick describe un estudio realizado en los años 40 que ilustra perfectamente la tendencia que tenemos a mantener una visión “coherente” del mundo, y lo difícil que es advertir las excepciones que deberían forzar a replanteárnosla.

El experimento fue muy simple: Unos psicólogos iban mostrando cartas de póquer a voluntarios no muy familiarizados con el juego, y les pedían que las nombraran. El truco era que algunas se habían retocado (por ejemplo un 4 de picas rojas en lugar de negras, una J de diamantes negra y no roja,…)
Cuando las cartas se pasaban extremadamente rápido, la inmensa mayoría de participantes no apreciaba el cambio de color: as de corazones! 7 de tréboles! 4 de picas! 8 de diamantes!… todo parecía normal, una tarea fácil.
Si se pasaban un poco más lento, algunos empezaban a notar que ocurría algo extraño, pero no tenían tiempo suficiente para reflexionar y entender dónde estaba el “error”.
Era cuando las cartas se mostraban muy despacio, que casi todos reconocían perfectamente lo que estaba ocurriendo. (Aunque se ve que alguno quedaba desorientado y confesaba que ya no estaba seguro de si las picas eran rojas, negras o se trataba de diamantes)

En nuestra vida, a veces las cartas pasan muy rápido. ¿Qué es aquello que cuando os detenéis a meditar sobre la forma como vivimos, o la idea que tenemos del mundo, notáis que no termina de encajar?
La ciencia puede ser una fuente de luz, pero también de restricciones.

La resistencia al cambio de paradigma
Según James Gleick, Thomas Kuhn utilizó el ejemplo anterior para hablar de la naturaleza de la ciencia y de cómo los científicos reaccionan ante las excepciones e incongruencias. Kuhn escribió:
“En condiciones normales el investigador no es un innovador sino una persona que soluciona puzzles, y los puzzles en los que se concentra son sólo aquellos que puede plantear y resolver dentro de la tradición científica existente”

Normalmente el científico parte de una hipótesis preconcebida, y lo que pretende es demostrarla mediante la experimentación. Y si un cierto resultado no termina de cuadrar, cuanto más sólido es el marco teórico sobre el que investiga más fácil es presumir un error en el experimento en lugar de cuestionar todo el consenso que lo envuelve.
Para Kuhn es normal que así sea, la ciencia no progresaría de otra manera. Pero establece que una verdadera revolución científica no llega de una simple acumulación de conocimiento, sino de la rebelión contra un paradigma establecido. Y al igual que en las cartas, puede pasar desapercibida en función de los ojos con los que se observe.

A finales del siglo XIX algunos aspectos de la física de Newton no encajaban con la electrodinámica de Maxwell. Sin embargo, ambas se asumían como correctas. Se confiaba que era cuestión de tiempo y mejores experimentos terminarlas de encajar. El problema se prolongó hasta que alguien tomó la actitud descarada de pensar que una de las dos debía estar equivocada. Einstein transformó nuestra visión del mundo al demostrar que Newton, hasta el momento el mejor físico de toda la historia, estaba equivocado. Su teoría de la relatividad es uno de los ejemplos más claros de revolución científica. Y la resistencia a imaginar que los relojes no siempre avanzan a la misma velocidad, una muestra de lo costoso mentalmente que resulta el cambio de paradigma.

Por eso pregunto a los científicos: ¿qué hay en vuestras disciplinas que no todavía no encaje? ¿Hay algo que os chirría de los esquemas básicos sobre los que trabajáis? ¿o qué habéis detectado que el resto tengamos mal entendido?
Y sobretodo a los que no estáis inmersos en el mundo de la ciencia pero compartís su actitud crítica y ansias de comprender la realidad, ¿qué es lo que no termináis de creeros sobre la explicación del mundo dada por la ciencia? ¿o qué os desorienta de la sociedad, costumbres, o de lo que entendemos por “normalidad”, cuando os paráis a reflexionar y observáis las cartas pasando poco a poco? Sed desobedientes civilmente.