Coherencia, decoherencia e incoherencia (Sobre resonancias, parte 3)

¿Por qué es tan especial la luz láser? ¿Cómo se genera? ¿Cómo es posible que las ondas de probabilidad de la física cuántica den lugar a los objetos definidos que percibimos todos los días? Estas son preguntas donde interviene el concepto de resonancia que hemos visto anteriormente en el blog.

Absorción de luz en la materia

Aunque Albert Einstein nunca estuvo contento con la interpretación cuántica de la física, fue paradójicamente uno de sus primeros descubrimientos el que ayudó a establecer esta nueva teoría a principios del siglo XX.

Desde 1887 se sabía que una luz de alta energía (como la luz ultravioleta o rayos X) puede generar una diferencia de potencial eléctrico al incidir sobre un metal. Como se vio después esto se debía a que la luz arranca electrones de los átomos del material conductor.

Einstein utilizó la idea de Plank según la cual la luz estaría formada por paquetes o cuantos (conocidos después como fotones) cuya energía es proporcional a la frecuencia de la onda luminosa, según la fórmula:

(donde h es la constante de Plank, c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de la onda y ν su frecuencia)

Según Einstein, los cuantos de luz eran los responsables de arrancar a los electrones de los átomos, pero solamente cuando su energía (frecuencia) era suficiente para ello.

Cada electrón está en una órbita que tiene más o menos energía según su distancia al núcleo atómico. Para sacar al electrón del átomo es necesario contrarrestar esta energía de enlace negativa con un 'empujón' que le permita dejar el átomo. Si la luz tiene más energía que la mínima requerida, el electrón no solo dejará el átomo sino también dispondrá de energía de movimiento adicional:

Cuando el modelo atómico de Bohr permitió calcular las energías de las diferentes órbitas atómicas, se comprobó de forma cuantitativa la teoría de Einstein y se vio que los electrones, además de escapar del átomo, también podían saltar entre diferentes órbitas atómicas. Según el tercer postulado de Bohr, un electrón puede pasar a órbita de mayor energía absorbiendo luz de cierta frecuencia: la que corresponde a la diferencia de energía entre las órbitas.

Vemos, por tanto, que existe necesariamente una resonancia entre la frecuencia de la luz y las órbitas de los electrones en el átomo.

Esto explicaba porqué cuando la luz atravesaba un gas formado por un elemento atómico se perdían solamente ciertas líneas de color del espectro luminoso: aquellas que correspondían a las frecuencias absorbidas por los átomos de dicho elemento:

Estas líneas negras funcionan así como una 'huella dactilar' de cada elemento atómico. Como en cada elemento los electrones tienen órbitas de diferente energía, la luz que absorben al saltar de una órbita a otra tiene diferentes frecuencias.

De esta forma, por ejemplo, observando el espectro de una estrella lejana podemos averiguar cuál es la composición de sus capas exteriores. Cada elemento produce una serie de rayas negras particulares en el espectro que nos llega de la estrella.

Los átomos individuales absorben solamente luz de ciertas frecuencias, pero cuando los átomos se unen formando moléculas complejas pueden absorber luz de bandas más amplias de frecuencias en un espectro continuo: resuenan con la luz de una forma más compleja, como la caja de un violín con las vibraciones de sus cuerdas.

Un ejemplo de absorción de luz que tiene gran importancia es la fotosíntesis, que permite integrar la energía solar en el ciclo de la vida en la Tierra. La fotosíntesis es posible gracias a una molécula, la clorofila, que se puede desprender de sus electrones cuando resuena con la luz solar. Como sus frecuencias de resonancia incluyen poca luz verde, ésta apenas se absorbe y por ello vemos de color verde a las plantas y algas fotosintetizadoras:

Este vídeo describe el complejo proceso por el que la luz acaba convirtiéndose en energía utilizable por la planta:

Otro ejemplo de absorción de la luz que reviste gran importancia para nosotros es la que se produce en nuestra retina para el sentido de la visión. En la pared de la retina hay receptores que son sensibles a luz de diferente forma (resuenan a diferentes conjuntos de frecuencias). Mientras que los bastones responden a la intensidad general de la luz en el rango de frecuencia que llamamos 'visible', los conos resuenan de forma diferente a las partes roja, verde y azul del espectro:

Por último, otro ejemplo más mundano pero también interesante es la absorción de radiación electromagnética en las frecuencia de microondas en los hornos del mismo nombre.

Al igual que los electrones alrededor de los núcleos atómicos, las moléculas de agua (y otros componentes de la comida, como azúcares y grasas) están enlazados por fuerzas, y estos enlaces pueden romperse cuando les llega radiación electromagnética de ciertas frecuencias, produciendo calor como resultado:

Emisión de luz desde la materia

Los cuerpos físicos, donde los átomos están ligados en estructuras complejas, emiten radiación electromagnética de un amplio espectro cuando se calientan (incluyendo sobre todo luz visible e infrarroja). Esta emisión se alimenta con la energía de movimiento de las moléculas, relacionada con la temperatura. A dicha emisión se le llama radiación térmica.

Pero cuando los átomos individuales de un gas son excitados por alguna fuente de energía (por ejemplo, eléctrica) emiten luz en frecuencias muy precisas, las mismas en las que absorben los fotones que resuenan con sus órbitas electrónicas:

Se trata del proceso inverso al de la absorción: cuando un electrón pasa de una órbita de energía más alta (estado excitado) a una órbita de menor energía, la diferencia se emite en forma de fotones de frecuencias precisas y características para cada elemento:

Cuando la excitación original de los átomos también la causa una radiación luminosa y la emisión se produce más tarde (cuando los electrones vuelven de nuevo a una órbita baja) nos encontramos ante los fenómenos de fluorescencia (la emisión se produce muy poco tiempo después de la excitación) y la fosforescencia (la emisión puede producirse segundos después):

Un ejemplo de fluorescencia es la extraña luz que los objetos emiten cuando se les ilumina con luz negra (ultravioleta):

La fosforescencia es la que causa que veamos en la oscuridad ciertos objetos que antes han 'absorbido' energía luminosa:

Lo cierto es que aunque la absorción y emisión de cuantos luminosos (fotones) es uno de los procesos más básicos de la naturaleza, al igual que sucede con otros fenómenos de la mecánica cuántica no resulta fácil hacerse una imagen mental de por qué y cómo sucede. ¿Cómo 'absorbe' o 'crea' el electrón los fotones? La explicación más común se basa en el concepto de partículas y estados virtuales, que normalmente se crean y desaparecen en el vacío de forma casi instantánea. Sin embargo, cuando hay energía disponible en el entorno estas partículas virtuales pueden convertirse en reales, como los fotones emitidos por los electrones que pierden energía.

Creando luz coherente mediante la resonancia: el láser

Uno de los descubrimientos más curiosos del siglo XX es la luz láser, cuyo nombre proviene de un acrónimo en inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, o sea Amplificación de la Luz por la Emisión Estimulada de Radiación. Las propiedades de la luz láser son sorprendentes:

• Es una luz perfectamente monocromática (de una sola frecuencia, un color puro)
• Además de ser coherente temporalmente (tener la misma frecuencia), la luz láser también es coherente espacialmente (todas las ondas tienen los picos y los valles en los mismos puntos, lo cual permite sumar su amplitud) 
• A diferencia de la luz natural, el láser forma un haz que apenas se dispersa, por lo que su energía sigue concentrada en un punto pequeño a grandes distancias

Podemos comprender las propiedades y formación de la luz láser a partir de algunos conceptos que ya hemos presentado.

La posibilidad de acumular energía en un fino haz que no se dispersa tiene que ver con el hecho de que los fotones son partículas de tipo bosón, y por ello tienen la propiedad de poder 'mezclarse' en el mismo espacio y con el mismo estado sin molestarse unas a otras.

A partir de esta posibilidad de acumular fotones en el mismo espacio y con los mismos estados cuánticos, las demás propiedades del láser pueden explicarse por efectos de resonancia.

La luz láser se genera dentro de una cavidad óptica, que cumple la misma función para las ondas luminosas que el tubo de una flauta o una cuerda vibrante para las ondas de sonido: crear una onda estacionaria que se superpone a sí misma al reflejarse una y otra vez en las paredes.

Es relativamente fácil construir una cavidad óptica. Para ello solo tenemos que poner dos espejos enfrentados, a una distancia que sea un múltiplo de la longitud de onda de la luz que deseamos 'atrapar' como onda estacionaria:

El primer paso para generar luz láser es excitar mediante una fuente de energía los átomos de una sustancia transparente (un gas o un cristal) situado dentro de la cavidad óptica. Podemos hacer esto mediante una corriente eléctrica. Hemos visto que los electrones de los átomos suben a una órbita superior cuando son excitados por una fuente de energía.

Igual que sucede con la fosforescencia y la fluorescencia, después de un tiempo más o menos largo los electrones excitados vuelven espontáneamente a una órbita más baja, emitiendo un fotón de una frecuencia que corresponde a la diferencia de energía entre las órbitas. A esto se le llama emisión espontánea.

Estos fotones emitidos espontáneamente comienzan a rebotar de un lado a otro de la cavidad óptica, formando una onda estacionaria.

Sin embargo, el fenómeno clave para generar la luz láser es la emisión estimulada, que no es más que un tipo de resonancia. Cuando un fotón ya emitido pasa cerca de un electrón aún excitado, estimula a este electrón a emitir otro fotón. Lo importante es que este segundo fotón tiene la misma frecuencia que el primero (ya que se forma mediante el mismo salto) y además tiene la misma fase, es decir, las crestas de sus ondas coinciden con las del primer fotón y por tanto se suman.

Lo que se produce entonces es una reacción en cadena debida a la emisión estimulada. Los primeros fotones emitidos espontáneamente y atrapados en la cavidad óptica producen la emisión estimulada de más fotones, que a su vez generan otros más, todos de la misma frecuencia y fase, y así sucesivamente. Por tanto, se produce una amplificación de la luz. Toda la energía inyectada en la cavidad acaba formando un haz de luz extraordinariamente coherente gracias a la resonancia.

Una parte de la luz abandona la cavidad por uno de sus extremos, ya que su espejo no es totalmente reflectante, lo que permite dirigir el haz de luz hacia donde nos interese.

Coherencia y computadores cuánticos

Además de jugar un papel esencial en la luz láser, la coherencia cuántica es también esencial en el reciente campo de la computación cuántica. Sin entrar en muchos detalles, que reservamos para otra entrada, la computación cuántica se basa en la propiedad de los estados atómicos y moleculares de superponer sus ondas de probabilidad.

Por ejemplo, supongamos que un elemento cuántico está en una superposición de dos estados que representan dos números A y B, mientras que un segundo elemento cuántico está en otra superposición de los números C y D. Con una operación cuántica podríamos hacer una multiplicación obteniendo como resultado una superposición de todos los posibles resultados (AxC, BxC, AxD, BxD), es decir, conseguimos hacer cuatro operaciones en un solo paso. Si trabajamos con superposiciones de N estados, podemos en teoría hacer 2^N operaciones en un solo paso.

Para que la computación sea posible, la superposición de estados debe mantener su coherencia: no debe evolucionar ni ser perturbada por otra interacción que no sea la de otros elementos de cálculo del computador cuántico. Bastaría la interacción con un fotón descontrolado para mezclar los estados y fastidiar todo el proceso de cálculo cambiando las probabilidades.

Por tanto, la dificultad práctica más importante para construir un computador cuántico es precisamente evitar este tipo de interferencias externas sobre los átomos que se encuentran en superposición para representar los diferentes estados. Para ello, el sistema tiene que estar enfriado y totalmente aislado. Por ahora solo se han conseguido unos cuantos estados (qubits) en unos sistemas bastante grandes, algo parecido a lo que sucedía con los primeros transistores electrónicos:

También han comenzado a probarse ya sistemas con una retroalimentación que permite compensar las interferencias y restaurar la superposición. Veremos si al final se consigue utilizar estos mecanismos a gran escala para construir ordenadores cuánticos que sean útiles en la práctica.

Veremos ahora que, por otro lado, la pérdida de coherencia de los estados cuánticos no siempre resulta un problema, sino que puede resultar ser el fundamento mismo sobre el que se sostiene nuestro concepto de la realidad.

Decoherencia y el gato de Schrödinger

Uno de los problemas conceptuales o paradojas de la física cuántica sobre la que más discusiones se producen, y que permanece aún sin una solución generalmente aceptada, es el llamado problema de la medida.

Está fuera de toda duda que los sistemas microscópicos como un fotón, un electrón o un átomo, pueden estar en un estado de superposición, donde se mezclan las posibilidades de estar en dos (o más) estados simples, en dos lugares o con dos energías diferentes.

Tampoco hay discusión en el hecho de que cuando medimos uno de estos sistemas superpuestos mediante un instrumento macroscópico (una placa fotográfica u otro tipo de detector) solamente observamos uno de los posibles estados, nunca vemos una mezcla.

La gran pregunta es: ¿cómo y cuándo se produce la ruptura de la superposición, el colapso de la función compuesta de las probabilidades a un solo estado observado?

El ejemplo clásico para ilustrar el problema es el del gato de Schrödinger. Si preparamos una caja con un gato que muere o sigue vivo según el estado de un sistema cuántico (un electrón o un átomo) y preparamos este sistema en una superposición de los dos estados, ¿hace esto que el gato esté también en una superposición de estados vivo y muerto? ¿Cuándo deja de estar el gato en esta superposición? ¿Cuando lo observamos?

Veamos primero dos interpretaciones relativamente comunes. Una es la de los mundos múltiples. Según ésta idea no se produce nunca el colapso a un único estado, sino que el universo se divide en dos: uno donde el gato está vivo y otro donde está muerto, y en cada universo hay una versión distinta de nosotros que ve un resultado diferente.

Aunque esta teoría es matemáticamente sencilla y permita divertidas posibilidades de viajar a mundos paralelos, no parece razonable que para cada sistema compuesto de varios estados el universo se tenga que duplicar una y otra vez en varios universos posibles. ¿De dónde saldría la energía para construir tantos universos?

Otra interpretación común es la que reserva a la conciencia del observador el papel en el colapso de la función de onda. Solamente cuando un observador abre la caja y mira el gato, su estado colapsa a vivo o muerto. 

Esta interpretación, cuando se aplica a la consciencia humana da lugar al llamado misticismo cuántico, en el que se supone que el observador de alguna manera es quien crea la realidad, e incluso que puede afectar el resultado de la medida y controlar de alguna forma las probabilidades.

Aunque algunos científicos (normalmente no son físicos) han intentado explicar por qué el cerebro humano podría tener características especiales que le permitieran realizar este colapso de la función de onda, lo cierto es que la posibilidad es rechazada mayoritariamente.

Una explicación alternativa que tiene cada vez más adeptos es la decoherencia, que permite explicar el colapso de la función de onda desde un punto de vista objetivo mediante un mecanismo basado en las leyes de la física.

La idea de la decoherencia no es difícil de entender, aunque los detalles matemáticos son tan complejos que aún están en desarrollo. Pensemos en una superposición sencilla, como la de dos ondas generadas por sendas piedras que caen al agua, o por los sedales de dos pescadores. Esta superposición puede mantenerse en el espacio (un gran lago, por ejemplo) siempre que no haya más interacciones, como sucede con las partículas o átomos aislados o que viajan por el vacío (o los sistemas que se usan en los ordenadores cuánticos).

Sin embargo, la realidad es que las ondas de probabilidad de los sistemas microscópicos acaban encontrándose con otras de su entorno. Esto no solo pasa cuando realizamos mediciones de estos sistemas, sino cuando se encuentran en cualquier entorno que no esté vacío ni perfectamente aislado.

La teoría de la decoherencia cuántica explica que cuando el entorno es complejo, las interacciones entre las ondas de probabilidad acaban produciendo una ruptura de la superposición de los estados, que se va disipando de forma caótica hasta que solamente un estado sobrevive. Siguiendo el símil de los pescadores, si sus ondas se reflejan en la costa o en otros elementos del lago, su superposición se irá destruyendo hasta convertirse en una onda caótica e imprevisible que sería similar a la de un único estado.

Aplicando la idea al gato de Schröninger, la superposición del átomo o electrón (que puede disparar o no el veneno o la bomba) nunca llega a producir una superposición del estado del gato. La superposición se rompe mucho antes por decoherencia, cuando el átomo o electrón interactúan con el detector y los mecanismos de la caja.

Así, la decoherencia de las ondas de probabilidad cuánticas en sistemas complejos explicaría la existencia de una frontera entre el dominio cuántico y el dominio 'clásico' sin superposiciones, sin necesidad de introducir la consciencia o los mundos múltiples como explicación.

Resonancias 'incoherentes'

Aprovechando para hacer un juego de palabras, no puedo evitar otra vez mostraros algunas de las cosas con las que me encuentro preparando estas entradas, y que demuestran cómo los conceptos físicos son tergiversados para extraer consecuencias absurdas y en muchos casos para hacer un buen negocio con supuestas justificaciones científicas.

Buenas vibraciones

Las ondas y las vibraciones, como la energía, parecen ser conceptos maleables a los que pueden atribuirse todo tipo de influencias y explicaciones. Por ejemplo, en el siguiente vídeo vemos cómo las frecuencias de vibración de nuestro cuerpo y nuestro cerebro pueden explicar todos nuestros problemas de relación:

Los 'increíbles' poderes de las ondas

Supuestamente, escuchando ciertas ondas se consigue un efecto de resonancia en nuestro cerebro que nos vuelve más inteligentes. Bueno, yo lo único que conseguí fue un dolor de cabeza  :-(

Según el texto del siguiente video: "La frecuencia 741 Hz fue diseñada para abrir tu consciencia y tu intuicion. Le fue agredada la frecuencia 432 Hz. Estas frecuencias son las que produce todo el universo, para mantenerse equilibrado. Le proporcionara paz interior y el desarrollo de tus habialidades internas". ¿De dónde sacarán estas cosas?

Y esta otra frecuencia del amor (?) repara el ADN (!):

Cuántica y poderes extrasensoriales

Como hemos visto anteriormente el término 'cuántica' es un imán para las explicaciones pseudocientíficas. Aquí va otra: cómo explicar la telepatía mediante resonancia de superposiciones cuánticas.

Resonancia Schumann

Aparentemente, una resonancia en el campo magnético de la Tierra tiene una frecuencia cercana a las ondas en algunas zonas del cerebro. De aquí se deducen extrañas relaciones:

¿Te parece que el tiempo cada vez va más rápido, que los días dan menos de sí? Pues aquí está la explicación:

Por si hubiera pocas opciones para el fin de los tiempos, aquí va otra: la Tierra entera va a pasar a la cuarta dimensión...

La resonancia Schumann también explica los problemas de salud de los astronautas en órbita alrededor de la Tierra:

Resonancia cuántica

Algunos espabilados están vendiendo aparatos con el 'científico' nombre de Espectrografía de Resonancia Cuántica (QRS) para terapias milagrosas:

Y el nombre también aparece en un 'nuevo paradigma' para el conocimiento y consciencia universal...

Tecnología de resonancia cuántica (QRT)

En este caso la mágica tecnología cuántica sirve para eliminar toda la contaminación e impurezas de nuestro entorno. Vamos, como el timo del agua magnetizada, pero más sofisticado:

Bueno, tened cuidado ahí fuera con los charlatanes.

Hasta la próxima,

Salvador