'Ant-Man and the Wasp: Quantumania' y la física cuántica detrás de la ficción

Este jueves 16 de febrero llega a los cines mundiales ‘Ant-Man and the Wasp: Quantumania’, una nueva película del multimillonario Universo Cinematográfico de Marvel que cada cierto tiempo vuelve a encabezar los tops de ganancias mundiales.

Estos maravillosos mundos fantasiosos donde los superhéroes y la magia existen se basan generalmente en utopías dentro de campos científicos de la vida real. ¿Por qué, entonces, no nos salimos de la ciencia ficción y pisamos tierra en las también asombrosas ramas de la investigación?

La física cuántica, un concepto que no debe asustar

La película toca una ciencia que ciertamente incluso confunde a miembros de la academia de ramas alternas: la física cuántica.

Para poder comprender algunos conceptos básicos, hemos consultado a expertos por algunas respuestas que nos permitirán discernir qué tanto de lo que vemos en pantalla gigante es real y qué no. Pero también qué grandes maravillas podemos encontrar en la ciencia y que motivó incluso a las grandes producciones a tomarlas de base.

¿Qué es la física cuántica?

“La física cuántica es una rama de la física que describe el comportamiento de las partículas a niveles atómicos y subatómicos, es decir, cómo se comportan partículas tales como los electrones, los fotones, entre otros tipos”, refiere Carla Arce-Tord, graduada en Física en la Pontificia Universidad Católica del Perú y candidata a Doctora en Astronomía y Astrofísica en la Universidad de Chile, también conocida como 'AstroCarla' en redes sociales. “En la física clásica hablamos de la descripción de un objeto en una locación y en un tiempo específico, en cambio, en la física cuántica hablamos de la descripción de una partícula dentro de un campo de las probabilidades, no de un punto en el espacio-tiempo específico”.

“Básicamente es el estudio de la materia a escalas muy pequeñas como las partículas fundamentales. Estas partículas tienen un comportamiento diferente a lo que clásicamente conocemos, por ello se dice que cuando quieras entender física cuántica tienes que olvidarte de todo lo aprendido hasta el momento”, añade la física de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos Vanessa Navarrete, quien dicta cursos de astronomía en su blog Hablemos del Universo.

“El término “cuántico” surge porque, en contraste con la mecánica clásica, ciertas cantidades toman solo valores discretos”, dice el Dr. Teófilo Vargas, profesor del grupo de Física Teórica ‘quantumquipu’ de la UNMSM. “Fue el físico Alemán Max Plank, para explicar las observaciones inusuales producidas cuando los objetos se calentaban a altas temperaturas, hizo una suposición radical: en lugar de que la energía se emitiera en un flujo continuo, supuso que debía haber alguna unidad base indivisible de energía que no pudiera dividirse más, es decir, la energía solo podía intercambiarse en fragmentos finitos, a los que llamó cuantos. Después de la propuesta de Planck, otros físicos rápidamente entendieron y aprovecharon las implicaciones para el mundo real. Así pues, en las próximas décadas, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y otros reestructuraron por completo la imagen estándar de la realidad”.

“Me gusta llamarla la 'física de lo invisible' pero no es así, aunque podemos resumirlo como el estudio de partículas y de la materia que compone todo el universo que conocemos desde un enfoque microscópico. No podemos tener la tecnología actual sin cuántica ya que si no podemos saber el comportamiento de los electrones y cómo estos interactúan con átomos o otras partículas no podemos crear microprocesadores para nuestras computadoras”, ejemplifica Diego Flores, físico peruano y actual magistrando en la Universidad de Padua, Italia.

Por ejemplo, A. Einstein en 1905 propuso que la cuantización era de hecho inherente a la luz, y que los paquetes de energía electromagnética pueden interpretarse como partículas, que ahora se llaman fotones. Esto llevó a su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico, que trata de la absorción de luz y la emisión de elecciones de un material.

En 1913, N. Bohr afirmó que los electrones en los átomos tienen propiedades ondulatorias. Esto explicaba correctamente algunos fenómenos sobre el hidrógeno, en particular los niveles de energía cuantizados que se conocían.

En 1924 L. de Broglie propuso que, no solo fotones y electrones, sino todas las partículas están asociadas con ondas. Este hecho de que cualquier partícula tenga asociada una onda conduce a la llamada dualidad onda-partícula. ¿Las cosas son partículas, ondas o ambas? Bueno, depende de lo que se está haciendo con ellos. A veces las cosas se comportan como ondas, a veces se comportan como partículas.

En 1926 E. Schrodinger formuló la ecuación de onda que gobierna cómo evolucionan las ondas en el espacio y el tiempo, y se llama ecuación de Schrödinger. Para la interpretación correcta de la función de onda, en el mismo año, M. Born la amplitud de probabilidad. Esta probabilidad no es consecuencia de la ignorancia, como es el caso de prácticamente cualquier otro ejemplo de probabilidad como consecuencia de la falta de información, sino estas probabilidades son verdaderamente aleatorias y son inherentes al dominio cuántico. Otra característica de la mecánica cuántica, es que el estado de vacío no está realmente vacío, sino está lleno de actividad en forma de fluctuaciones cuánticas, a veces consideradas como partículas virtuales que aparecen y desaparecen tan rápido que no violan el principio de incertidumbre de Heisenberg.

¿Existe un reino cuántico?

“Cuando hablamos de comportamiento de las partículas, el mundo de las partículas por así decirlo, estamos hablando de escala de tamaños muy pequeños y velocidades muy altas distintas a las que convivimos día a día. Podríamos llamar reino cuántico a este subgrupo de estudio de la física a escala de tamaño atómicos y subatómicos”, sostiene Arce-Tord.

Ella también compara este concepto con el visto y referenciado en la película. “Desde el punto de vista de ciencia ficción, también entiendo que se le conoce como reino cuántico a la posibilidad de interactuar a escalas atómicas y subatómicas nosotros como objetos descritos por la física clásica: ahí sí entramos en el mundo de la ciencia ficción. Para resumir, técnicamente podemos llamar reino cuántico a las escalas atómicas y subatómicas, pero eso no quiere decir que podemos acceder ni interactuar directamente como lo colocan en la ciencia ficción”.

“El mundo cuántico es un mundo totalmente diferente al que conocemos: es un mundo donde los objetos podían viajar a través de las paredes (el efecto túnel), las partículas llevaban vidas paralelas como ondas (dualidad onda-partícula) y la información parecía transmitirse más rápido que la velocidad de la luz (entrelazamiento cuántico). El caso del gato de Schrödinger, que imagina un gato encerrado en una caja que está viva y muerta hasta que alguien se molesta en mirar dentro (principio de superposición y medida cuántica). Estos conceptos con aparentes paradojas tan alucinantes fueron las bases no solo de la primera revolución cuántica, sino son fundamentales para la segunda revolución cuántica, donde la tecnología cuántica es un campo emergente de la física y la ingeniería. La computación cuántica, los sensores, la criptografía, la simulación, la medición, la metrología y la generación de imágenes son ejemplos de tecnologías cuánticas emergentes. A partir de 2010, no solo varios gobiernos, como Estados Unidos y China sino también las grandes empresas del sector privado han establecido programas y megaproyectos para explorar las tecnologías cuánticas, invirtiendo cientos de millones de dólares”, indica Vargas. 

¿Es posible el encogimiento subatómico?

“No es posible. Cuando hablamos de encogimiento subatómicos, estamos hablando de reducir nuestro tamaño al tamaño de un átomo. Nosotros como objetos o como cuerpos, estamos compuestos por una cantidad inimaginable de átomos. Entonces, para lograr encogernos al tamaño de un átomo o incluso más pequeño que un átomo, tendríamos que compactar todos nuestros millones de billones de billones de átomos en el tamaño de un solo átomo: seríamos demasiado densos. No tenemos los mecanismos para lograr eso. Tendríamos que sobrepasar varias leyes o constantes físicas para lograr eso”, refiere la candidata a Doctora.

“No. El átomo es un pequeño núcleo rodeado de partículas mucho más pequeñas llamadas electrones que orbitan en torno a él en medio de un enorme vacío. Alguna vez escuché que si pudiéramos juntar todas las partículas fundamentales que constituyen todo el planeta, estas cabrían en un volumen similar al de un terrón de azúcar”, dice la física de la UNMSM.

Esto, recuerda Flores, no es más que un concepto cinematográfico. “Sería genial poder hacer eso, pero para poder encogernos a esa escala nos veríamos limitados hasta de vivir. Por ejemplo, el simple hecho de respirar es un proceso de obtención de oxígeno y demás gases, pero si nos encogemos a un tamaño menor que un átomo, ¿cómo lo haríamos? No seríamos capaces de ver o escuchar ya que esto se da mediante la interacción con ondas de luz o sonido (perturbación de un medio)”.

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

El entrelazamiento cuántico fue descubierto sobre el papel por Einstein, Podolsky y Rosen en 1935; y parece tan absurdo que ambos afirmaron que era una prueba de que la física cuántica debía ser incorrecta, o al menos incompleta. Sin embargo, el absurdo fenómeno es real, como demostraron en el laboratorio los galardonados con el premio Nobel de física de 2022, John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger. 

“En términos muy resumidos, el entrelazamiento cuántico es el nombre que se le da a la correlación que existe entre 2 sistemas no locales -con no locales nos referimos a que son sistemas distantes o partículas distantes- de tal manera que cuando mides una de estas partículas, la función de onda de uno de estos sistemas, la otra función de onda cambia y se mide”, nos da a conocer ‘AstroCarla’.

Un campo muy interesante que se desglosa de este concepto es el de la computación cuántica, afirma Navarrete. “Lo interesante de este tema es que su comprensión nos llevaría a otro nivel con el desarrollo de computadoras muy potentes y cifradas de tal manera que no podría caber la piratería, las computadoras cuánticas. Este es un tema actual que ha sido premiado con el Nobel de física del 2022 para el francés Alain Aspect, el estadounidense John Clauser y el austriaco Anton Zeilinger por sus experimentos con estados cuánticos entrelazados”.

“Muchas veces hemos visto por algún lugar en internet que dicen: ‘si dos partículas interactúan por un momento o instante, no importa cuánto los separes, siempre quedarán unidas por el resto de la existencia’. Pues no es tan romántico como suena”, finaliza el físico peruano radicado en Italia.

Este jueves, cuando vayas al cine, podrás pensar en la rica ciencia detrás de las espectaculares imágenes. Sin esperar al futuro o al cine, las investigaciones de hoy ya están cruzando la barrera de lo asombroso.