¿Qué pasa si intentamos partir un fotón a la mitad? La extraña respuesta de la física cuántica

Por Julio García G. / Periodista de Ciencia 

El hecho de que la luz puede comportarse no solamente como onda, sino también como partícula cambió para siempre la perspectiva de lo que esta es: su propia esencia y nuestra visión sobre ella. 

Sin embargo, ya en el siglo XVII, algunos pensadores como Pierre Gassendi, plantearon concepciones corpusculares de la luz. Pero fue Isaac Newton quien defendió que esta estaba constituida por diminutos “corpúsculos” emitidos por los cuerpos luminosos.

No obstante, otro gran científico como lo fue Christiaan Huygens defendía una interpretación radicalmente diferente: que la luz sería una onda. 

Cuando en el siglo XIX James Clerk Maxwell propuso su teoría electromagnética permitió entender a la luz como una onda electromagnética y, para finales de ese siglo, el tema parecía haberse resuelto.  

Pero en 1900, otro titán de la física como Max Planck descubrió que podría explicar la radiación del cuerpo negro a partir de suponer que la energía se intercambiaba en cantidades discretas.

Con esto, Planck no estaba afirmando que la luz estuviera compuesta por partículas (se dice que en algún momento de su vida llegó a negar su propia propuesta). 

El salto decisivo y único llegó de la mano de Albert Einstein en 1905 cuando propuso en un artículo que, bajo determinadas circunstancias, la propia radiación electromagnética se comportaba como si estuviera constituida por paquetes discretos de energía, o cuantos de luz. 

Con esta gran idea, que años después contribuiría a que Einstein recibiera el Premio Nobel de Física en 1921, pudo explicar el llamado efecto fotoeléctrico: no solamente que la luz puede arrancar electrones de un metal, sino también que la energía de los electrones expulsados depende de la frecuencia de la luz y no simplemente de su intensidad. 

En su momento –como siempre sucede cuando se intenta establecer e impulsar una nueva idea que rompa el paradigma del momento– la propuesta de Einstein sobre la cuantización de la luz fue considerada muy polémica; tanto así que no fue sino hasta la década de 1920 cuando el Efecto Compton proporcionó evidencias decisivas del comportamiento corpuscular de la radiación (y de la luz), lo que abrió el camino a la consolidación de la mecánica cuántica y sus todavía desconcertantes implicaciones. 

En definitiva, Einstein y algunos de quienes lo precedieron estaban en lo correcto: la luz puede tener un comportamiento dual y ser onda o partícula y el fotón es una de esas partículas fundamentales, como muchas otras que existen. 

Esta historia la traigo a colación porque, recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de Oslo (Noruega) publicó un trabajo en la revista Physical Review Letters, en el cual dan cuenta de qué sucede cuando un fotón es, literalmente, cortado a la mitad.

A los fotones no hay que mirarlos como pequeñas bolitas o canicas de luz que se localizan en un punto, ya que su estado cuántico puede extenderse espacialmente y presentar lo que los investigadores describen como una “cola” que, matemáticamente, puede prolongarse indefinidamente. Por ello, si se interrumpe bruscamente una parte de este estado se altera profundamente su descripción cuántica. 

Lo que hicieron los científicos fue imaginar un escenario idealizado (basado en modelos matemáticos) donde un solo fotón encuentra un obturador similar a un espejo que interrumpe parte de la propagación. 

Lo más sorprendente de esto es que el estado resultante no puede describirse simplemente como que ahí existe medio fotón (como si partiéramos una manzana a la mitad y las dos mitades se siguieran pareciendo) porque al expresar el nuevo estado en términos del número de fotones, surgen componentes correspondientes a diferentes cantidades de fotones y, matemáticamente, la expansión puede llegar a un número arbitrariamente grande de ellos. 

¿Qué significa todo esto? Que no podemos tomar un fotón y obtener una cantidad infinita de fotones aprovechables, como una máquina que crea luz de la nada. Lo que más bien sucede es que lo que aparece hasta el infinito es el conjunto de posibles números de fotones necesarios para describir de forma matemática el estado cuántico después de truncarlo o dividirlo. Además, la energía sigue teniendo que conservarse. 

En este sentido, a un fotón no lo podemos partir en dos, como a una manzana de la que se obtienen dos medias manzanas. Si se intentara hacer algo equivalente con un fotón, no se obtienen dos medios fotones, porque el fotón es una partícula elemental y, por consiguiente, no existe un estado físico en la naturaleza correspondiente a medio fotón. 

Lo que hicieron los investigadores mediante complejos cálculos matemáticos fue inclusive más sutil: no “cortaron” la partícula, sino que truncaron su paquete de onda mediante un espejo que desaparece mientras el fotón está siendo reflejado. 

Y lo realmente extraño de todo es que en el escenario que estudiaron a un lado de la estrecha región donde ocurre la transición, el estado es localmente equivalente al de un fotón completo y, al otro lado, es equivalente al vacío. Esto significa que ¡no aparecen dos mitades del fotón!, sino que aparecen muchísimos fotones, que matemáticamente se extienden hasta números arbitrariamente grandes.

Por consiguiente, si en el mundo macroscópico partimos una manzana en dos obtenemos dos medias manzanas que son idénticas. Pero, cosa extraña, si partimos un fotón a la mitad no obtenemos dos medios fotones. 

De hecho, si “partimos” el fotón obtenemos un estado cuántico complejo de muchos números posibles de fotones. 

Ahora la pregunta es: ¿de dónde surgen todos esos componentes asociados a números mayores de fotones, si nuestra intuición macroscópica nos llevaría a esperar simplemente dos “mitades” del fotón original? 

La explicación está en que, al retirar el espejo modificamos los modos del campo electromagnético. Esa modificación temporal perturba el vacío cuántico y puede producir fotones y, cuanto más abrupta sea la desaparición del espejo, mayor es el número de fotones implicados. 

Pero esto no significa que el fotón se multiplique porque lo hayamos partido, sino que es la intervención sobre el campo –la retirada del espejo– la que conduce a la aparición de ese complejo estado de muchos fotones. 

En mecánica cuántica –hay que precisarlo nuevamente– los fotones no deben imaginarse como simples puntos o diminutas bolitas, sino más bien como una excitación del campo electromagnético. Además, su estado cuántico puede extenderse en el espacio, como si se tratara de una bola de hilo cuyo filamento puede desplegarse mucho más allá del pequeño ovillo que vemos. 

Además, intentar cortar un fotón no equivale a partir una manzana por la mitad: lo que se modifica es la configuración de ese estado cuántico, no una pequeña pieza material que puede dividirse en dos. 

Intentar imaginar todos estos escenarios que he planteado aquí no es para nada sencillo, ya que finalmente tienen su origen en abstracciones matemáticas que aún no han sido replicadas experimentalmente. Sin embargo, que no hayan sido replicadas experimentalmente no significa que no tengan valor (aunque corroborar algo mediante experimentos tiene, evidentemente, mucho mayor peso que no hacerlo). 

Además, que todo este asunto de la división del fotón esté en un plano puramente teórico no demerita su validez ya que muchos postulados teóricos han sido, tiempo después, demostrados experimentalmente (en su momento lo fue la Teoría de la Relatividad de Einstein y muchas otras más). 

Lo que sí es un hecho es que este tipo de teorías nos acercan cada vez más a una comprensión cada vez más profunda del mundo cuántico, aquel al que alguien alguna vez se refirió, me parece que fue el físico Richard Feynmann, como “si realmente dices entender la mecánica cuántica en realidad no estás entendiendo nada”. 

El problema con la mecánica cuántica –la cual muchas veces contradice lo que imaginamos y pensamos– radica en que nuestra intuición fue construida en un mundo de objetos que pueden partirse esperando resultados que tienen lógica, como partir una manzana en dos, en tres o en cuatro. Pero un fotón pertenece a un mundo en el que incluso preguntarnos qué significa “partir algo por la mitad” puede conducirnos a una respuesta completamente distinta de la que esperábamos. Ahí radica la belleza y la complejidad de la mecánica cuántica y todos sus fundamentos.