2025 ha sido considerado por la ONU como el año internacional de la ciencia y tecnologías cuánticas. La denominada física cuántica es la disciplina científica que se encarga del estudio de la materia a escalas muy pequeñas, a los niveles de los átomos e incluso mucho menores. Las leyes que gobiernan la materia a esas escalas pueden parecernos extrañas, contraintuitivas, exóticas y muy caprichosas si las comparamos con las leyes físicas a las que estamos acostumbrados en nuestro quehacer diario.

La física o mecánica cuánticas fueron la consecuencia del estudio de las partes más pequeñas conocidas de la materia a principios del S.XX. La diferencia conceptual entre física cuántica y mecánica cuántica no está clara, aunque la mayoría de autores lo relacionan con una sucesión histórica de hechos. Dicho de otra manera, podríamos decir que la física cuántica comprendería todos los experimentos y desarrollos teóricos (generalmente parches y fórmulas empíricas) para aclarar lo que se observaba en los laboratorios y era complicado encontrarle explicación, mientras que la mecánica cuántica, que apareció un poco más tarde, es una teoría formal con sus postulados y explicaciones matemáticas consistentes.

Podríamos decir que la física cuántica comprendería todos los experimentos y desarrollos teóricos (generalmente parches y fórmulas empíricas) para aclarar lo que se observaba en los laboratorios y era complicado encontrarle explicación, mientras que la mecánica cuántica, que apareció un poco más tarde, es una teoría formal con sus postulados y explicaciones matemáticas consistentes.

Nuestra sociedad no sería tal y como la conocemos si no fuera por las importantes aplicaciones técnicas que han derivado del conocimiento de la mecánica cuántica. Algunos campos de investigación desarrollados gracias a ella han sido, por ejemplo, la electrónica de semiconductores, el láser, la nanotecnología, el diagnóstico por imagen en medicina, las energías no contaminantes como la nuclear o la solar, etc. Y todo lo que de ellas deriva como ordenadores, teléfonos móviles, luces LED, compact discs o DVD, comunicaciones por fibra óptica, cirugía ocular de precisión, rayos X, resonancias magnéticas, tomografías de positrones, paneles solares, baterías eléctricas eficientes y un larguísimo etcétera. Pero es que gracias a estas tecnologías nos aguarda un esperanzador futuro con los ordenadores y encriptado cuánticos, con materiales revolucionarios como el grafeno, con sistemas de medida y precisión casi inimaginables, con la medicina y medicamentos personalizados, con la simulación biomédica, con la superconductividad, ...

Todo comenzó alrededor del año 1900 cuando el prestigioso científico alemán Max Plank intentando explicar la radiación del cuerpo negro introdujo la idea de cuanto, derivado de la palabra latina quantum y que nos descubre que la realidad no es continua como siempre se pensó sino que puede llegarse a un nivel lo suficientemente pequeño en el cual nada puede dividirse más, ni siquiera el espacio o el tiempo. Si utilizáramos lenguaje actual para describir esta situación podríamos decir que la realidad en la que vivimos está pixelada, ahora bien, estos píxeles son inimaginablemente pequeños.

Describiendo los acontecimientos que tuvieron lugar comprenderemos cómo se llegó a esa idea tan sorprendente e innovadora de los cuantos.

El cuerpo negro (no confundir con agujero negro) venía estudiándose desde el S.XIX, es un objeto ideal que absorbe toda la radiación del espectro electromagnético

puesto que no refleja nada, aunque que debe emitir algo debido a que siempre tiene algo de temperatura. Para simular un cuerpo negro en los laboratorios de la época se utilizaba un horno de cavidad que no era más que un cubo totalmente hueco y pintado por dentro de negro humo para que no reflejara nada desde su interior; a ese cubo se le practicaba un agujero minúsculo y se medía la radiación que por él salía cuando se le calentaba desde fuera. Al estudiar el espectro electromagnético de esa radiación saliente Wilhelm Wien descubrió que cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo mayor también es la frecuencia de la radiación que emite al calentarse. Encontró una formula empírica que describía este comportamiento, pero nadie podía explicar qué era lo que producía ese fenómeno. La comunidad científica necesitaba una fórmula distinta con la que se pudiera explicar y predecir el comportamiento del cuerpo negro ya que esto aclararía muchas cuestiones que la física intentaba resolver desde hacía tiempo.

La solución la encontró Max Plank, por la que obtuvo el premio Nobel y al que nunca agradaron sus propios resultados, por revolucionarios y por estar en contradicción con las bases mismas del conocimiento científico asentado en la época. Plank propuso que la radiación electromagnética no se emitía de forma continua, sino discreta en forma de pequeños paquetes que él llamó cuantos y a los que 26 años más tarde Gilbert N. Lewis denominó fotones. Plank siempre pensó que su solución no era más que un “artificio matemático” que explicaba el comportamiento de la radiación emitida por los cuerpos; se imaginó que esa radiación era producida por unos pequeños osciladores que existían dentro de la materia. Pero el tiempo pasaba y su “artificio matemático” cada vez cobraba más fuerza y era más aceptado por la comunidad científica. Según sus propias palabras: “Un acto de desesperación y la necesidad de encontrar una interpretación teórica a este problema de la física fue lo que me condujo a adoptar la solución de los cuantos”. También siempre tuvo la esperanza de que su rara y artificiosa teoría ayudara a encontrar la verdad. Pero la realidad es tozuda y la ley de Plank, tal cual, sigue utilizándose en la actualidad y se considera la solución al problema del cuerpo negro.

El otro gran científico que también contribuyó al nacimiento de la física cuántica, utilizando el “artificio matemático” de Plank fue el archiconocido Albert Einstein y sus investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico, que también le valieron el Nobel.

El efecto fotoeléctrico era conocido desde hacía mucho tiempo, pero no se encontraba una explicación a su extraño comportamiento. Este efecto consiste en que cuando iluminamos algunos metales con luz aparece una corriente eléctrica, es decir, la luz es capaz de arrancar electrones del metal. ¿Pero cómo podía suceder esto? A principios del S.XX se pensaba que la luz no era más que una onda electromagnética y que por ello no podía afectar a un cuerpo sólido, además el que se le arrancasen más o menos electrones al metal no dependía de la intensidad de la luz, como sería en principio esperable, sino de la frecuencia. Por ejemplo, si iluminamos con luz roja puede que no se produzca efecto alguno, pero si iluminamos con luz ultravioleta (de mayor frecuencia) si puede que se genere una corriente de electrones procedentes del metal. No se encontraba explicación alguna a estos hechos.

Einstein consideró que la luz no era sólo una onda, sino que abrazando la teoría de Plank propuso que estaba compuesta de cuantos. Cuando uno de esos cuantos (fotones) golpea un electrón del metal, si tiene energía suficiente lo sacará de su órbita de alrededor del núcleo del átomo quedando libre, pudiéndose por ello generar una corriente eléctrica. Siguiendo con nuestro ejemplo, la luz roja con menor frecuencia (energía) que la luz ultravioleta será incapaz de arrancar electrones al metal por muy intenso que fuera el foco con el que iluminamos. Si en cambio iluminamos con un foco mucho más débil, pero con luz ultravioleta, generaríamos electrones sueltos en el metal pudiendo encaminarlos con un cable y estableciendo una corriente eléctrica. Por lo tanto, no importa la intensidad de la luz, pero sí la energía de los fotones que la componen.

Esto llevó a una de las paradojas más grandes de la física cuántica, un mismo fenómeno, la luz, por ejemplo, puede ser considerada como una onda o como un chorro de pequeños corpúsculos. Depende del experimento que hagamos se comportará de una u otra manera. Esta ambigüedad tampoco fue aceptada por Einstein que hasta el final de sus días concibió la mecánica cuántica, al igual que Plank como un artificio matemático que nos habíamos inventado para intentar comprender la realidad y que todo era producto de nuestra falta de un mayor conocimiento de la naturaleza. Con su famosa frase: “Dios no juega a los dados” quiso dejar clara su postura en contra de las interpretaciones de la mecánica cuántica a pesar de ser ateo.

Otro famoso científico Richard Feyman, también premio Nobel, dijo: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”. Con esta frase intentaba expresar lo rara y contraintuitiva que es esta rama de la ciencia, que hasta genios como Plank o Einstein negaron que fuera una teoría definitiva. Pero la mecánica cuántica hoy por hoy es la teoría que con más exactitud ha podido comprobarse, es una disciplina de la física consistente y su conocimiento y aplicación técnica nos ha proporcionado importantes avances y artilugios de uso cotidiano. Podemos decir, sin lugar a dudas, que estamos ante otra expresión de la grandeza de la ciencia en la que hasta los propios descubridores de leyes físicas han preferido creer en sus descubrimientos porque se ajustan a la realidad y a lo observado, rechazando, muy a su pesar, lo que les decía su intuición, educación y experiencia cotidiana. ¿Puede haber algún ejercicio de humildad y generosidad mayor?