4.- La sinfonía inacabada del Universo.

Después de tantos éxitos y reconocimientos cosechados por Einstein, el mundo se despertaba cada mañana esperando encontrar en primera página una perfecta y definitiva sinfonía del Universo. Algo hay en lo profundo de la materia que oscila y resuena como las notas puras de un instrumento musical, pues no en vano los electrones ocupan solamente determinados niveles de energía que corresponden a notas puras, como cuerdas bien afinadas que solo pueden vibrar en determinadas frecuencias de resonancia.

Hace ya un siglo que se publicó por primera vez una extrañísima interpretación de la gravedad y el Universo a gran escala. La teoría de la relatividad general que Albert Einstein sacó a la luz en 1915 nos habla de un entramado en el que tiempo y espacio no se pueden separar, un entramado que se tensa y se curva en función de la materia presente, pero sin relación alguna con el mundo de las partículas. Como ya se conocía la relación entre fuerzas nucleares y electromagnetismo, solo faltaba relacionar electromagnetismo y gravedad para conectar a todas las interacciones conocidas, algo así como la última frontera de la física.

Buscar esa relación era como buscar una teoría del todo, y así pasaban los años compartiendo disputas con una floreciente mecánica cuántica que también pujaba por hacerse dueña del todo, intentando demostrar que ya era una teoría completa y que la gravedad tenía que deducirse como una consecuencia natural de sus postulados. Einstein, a punto ya de morir, todavía encontraba fuerzas para negar a la mecánica cuántica sus pretensiones de ser una teoría completa, diciendo que nadie sabía lo que de verdad era un fotón. Einstein murió en 1955 dejando el monopolio a la mecánica cuántica, ¿no va siendo hora de preguntarse si por fin se ha ganado la reputación de ser una teoría completa del todo?

La teoría cuántica de campos trata el vacío como una fuente inagotable de energía que crea y aniquila partículas como una distribución estadística. Donde la probabilidad es alta, las partículas tienen mayor estabilidad y es donde supuestamente aparecen los átomos, moléculas, y todo tipo de agrupaciones que llamamos materia. Mucho se habla de la teoría cuántica de campos como la más precisa de la historia, sin embargo apenas existen divulgadores que nos cuenten los problemas que todavía no ha superado, ni puede superar.

Para que una función tenga en cuenta los efectos relativistas tiene que definirse localmente, pero los operadores de la teoría cuántica de campos no son funciones sino distribuciones estadísticas, y no tienen sentido en intervalos infinitesimales como exige una verdadera definición local. No es de extrañar que aparezcan divergencias infinitas debido a un formalismo matemático tan espinoso, parcheado con un proceso de “renormalización” que se come los infinitos mediante grados de libertad con dudoso significado físico. Dirac, el físico y matemático que predijo la existencia de antimateria, y uno de los desarrolladores de la teoría cuántica de campos, terminó afirmando que la teoría de renormalización había salido victoriosa de todos los intentos para sanearla de modo matemático. Una descripción detallada la podemos ver en el siguiente documento de un profesor de la Universidad de Elche, aunque difícil de seguir por sus complicados conceptos de matemáticas.

Cada tipo de partícula tiene su propio campo cuántico, y si hablamos de gravedad cuántica debería existir una partícula que se ha llamado “gravitón”, hace ya mucho tiempo, pero resulta que sus infinitos no se pueden “renormalizar” y la gravedad se queda fuera de las pretensiones de la teoría cuántica de campos. Más de 60 años después del desarrollo de la teoría, no solo no se ha conseguido la deseada unificación con la gravedad sino que ni siquiera se puede asegurar que sea estrictamente compatible con la relatividad especial.

Cuando hablamos de compuestos químicos, la teoría cuántica se aplica con tal número de simplificaciones que se hace difícil esperar predicciones acertadas. Es tan complicada que a duras penas vislumbra los orbitales de un solo electrón en un átomo de hidrógeno, y esto no es algo que se predique mucho por ahí, pero es cierto, así que podemos decir que las partículas mejor investigadas en el dominio cuántico son dos: Un protón, y un electrón solitario jugando a los dados en sus proximidades.

Sí, Einstein murió en 1955, y podemos asegurar que 60 años después todavía no sabemos lo que de verdad es un fotón y solo podemos hablar del Universo como de una maravillosa sinfonía, pero inacabada. Es increíble que después de tanta relatividad y tanta mecánica cuántica, no alcancemos a imaginar a la materia más allá de una impresión artística, así que vamos a reunir lo poquito que sabemos y añadir lo que podemos imaginar, sabiendo perfectamente que nos enfrentamos a una forma de pensar especializada en cosechar éxitos, mientras pasa por alto que no sabe lo que de verdad es un fotón. Si de verdad queremos entender a la materia, ¿hay algo de realismo que merezca salvarse de la hoguera cuántica?

Alguna vez habrás jugado con una cuerda, habrás visto la magia del contoneo que la recorre cuando aplicas un pulso en uno de sus extremos, y también habrás visto que serpentea cuando agitas el extremo con frenesí. Ya entiendes entonces que al obligar a oscilar a un medio físico, como una cuerda, la oscilación se propaga por el medio en forma de ondas, ya entiendes que una onda no es una “cosa” porque la realidad física no está en la onda sino en el medio que la propaga. Bueno, no para todo el mundo es así, muchos físicos todavía piensan que la luz es una onda sin medio porque nadie ha sabido entender que hay algo real escondido en el vacío, es más fácil seguir el atajo de una función experimental sin cimientos de realidad.

Es posible que alguna vez hayas aplicado un pulso con un extremo de la cuerda sujeto en un punto fijo, y habrás visto que cuando alcanza el extremo fijo se invierte y rebota. La forma del pulso durante la transición coincide con la suma de dos pulsos iguales e invertidos que se propagan en sentidos opuestos. Si la cuerda se fija en los dos extremos, el pulso no dejará de invertirse y rebotar en ambos lados hasta que la energía se pierda en forma de calor.

¿Y si en lugar de un pulso se propaga una onda completa? También se invertirá y rebotará, pero como una onda invertida es igual que la onda original, entonces la onda incidente y la reflejada son iguales pero se propagan en sentidos contrarios, y la suma de ambas da como resultado una onda muy extraña, llamada onda estacionaria porque no se propaga. En realidad se trata de un estado de vibración de la cuerda que produce un sonido audible si la frecuencia está comprendida entre 20 y 20000 oscilaciones por segundo, supuestamente los límites de nuestra percepción. No te pierdas las siguientes animaciones de ondas ni dejes de ver alguno de los vídeos incluidos, el primero especialmente, y si no simpatizas mucho con las matemáticas no pasa nada si te saltas esa parte del vídeo.

Alguna vez habrás montado en un columpio y habrás aprendido a voltear el cuerpo hacia atrás cuando avanzas, y adelante cuando retrocedes. Ya sabes que las oscilaciones aumentan cuando aplicas energía en los momentos justos y en el sentido correcto, sabes perfectamente que la frecuencia de tus impulsos y la frecuencia de oscilación del columpio tienen que ser iguales, porque si te desfasas te frenas. Sin matemáticas y sin conocimientos de física ni de ingeniería, ya entiendes cómo se debe regular un proceso para que oscile o para que se detenga. Todo lo que puede oscilar tiene una o varias frecuencias naturales que determinan la forma en que interacciona con el resto de las cosas. Tu columpio favorito también tenía una frecuencia natural, y tenías que aprender a tantear esa frecuencia para conseguir dominarlo. ¿Sabías que al igualar la frecuencia de tus impulsos con la frecuencia natural del columpio, experimentabas una “resonancia” porque “sintonizabas con el columpio”?

Cuando de repente se amplifica una oscilación es porque ha sintonizado con alguna fuente de energía. La cuerda que vibra con más amplitud, el sonido que se hace más fuerte, las microondas que achicharran la comida, el puente que oscila y se derrumba, la radio que de repente sintoniza una emisora, la mano temblorosa de un enfermo de parkinson, el columpio que te acerca hasta el cielo impulsado por tu vitalidad… son algunos ejemplos de resonancia en los que toda onda se transforma en oscilación estacionaria, en vibración que no se propaga. Las ondas estacionarias vienen siempre acompañadas de resonancia porque las ondas incidente y reflejada no se desfasan respecto de la oscilación del medio, y eso se cumple cuando el número de semiciclos entre los extremos es entero. Ese número de semiciclos depende de la rigidez o tensión del medio, y de la frecuencia, por eso se afina una guitarra tensando sus cuerdas hasta distinguir las notas puras por un sonido más intenso y prolongado.

La imagen anterior demuestra la resonancia en una cuerda que oscila de forma estacionaria, pues vemos claramente una onda de mayor amplitud que también se mantiene más tiempo cuando deja de recibir energía. Si las pérdidas fueran cero, la energía se conservaría y nunca dejaría de oscilar. No se conoce nada que oscile sin pérdidas en el mundo que vemos y tocamos, pero los electrones lo hacen en todo momento como si estuvieran enclavados en alguna de sus frecuencias naturales de oscilación, y cuando alguna perturbación destruye su resonancia y los arranca de su escondite, vuelven a caer en otra de sus frecuencias naturales con su nivel correspondiente de energía. Los niveles de energía de los electrones coinciden con modos de oscilación estacionaria de un número entero de semiciclos, y ese número entero es justo el número cuántico principal de su función de onda.

Efectivamente, un electrón no puede perder o ganar energía en cualquier cantidad, solo pierde o gana la diferencia entre su nivel y otro nivel inferior o superior, que también será un estado de resonancia. Esa diferencia es precisamente la energía que se va en forma de fotón, o la que absorbe en forma de fotón. Por lo tanto, al descomponer la luz emitida o absorbida por los diferentes elementos químicos, solamente deberían verse determinadas frecuencias y quedar desiertas todas las intermedias. Eso es justo lo que se ve, y es la prueba de que los electrones ocupan estados o niveles de resonancia como las ondas estacionarias. De alguna forma, cada electrón debe ser algo que oscila entre los límites de un átomo, lo mismo que una cuerda oscila entre los extremos fijos que limitan la propagación de sus ondas. ¿Y qué clase de medio será un electrón, qué clase de oscilaciones propaga, y qué clase de límites imponen los átomos para contener su propagación? Ecos, ecos de realidad golpean a las puertas de la mecánica cuántica, y con impaciencia me pregunto cuál será su respuesta…

El número entero de semiciclos que hacen falta para que las oscilaciones de “algo” se hagan estacionarias, es el número cuántico principal que alcanza el recibidor de la función de onda, el último rastro de realidad que se pierde definitivamente para dejar paso al retorcido y psicodélico espacio de Hilbert, donde solamente oscilan probabilidades… ¡Qué desperdicio!, toda la física cuántica del mundo no sirve a partir de ahí para seguir buscando lo que de verdad oscila y resuena, así que aquí se termina la poquita realidad que se puede salvar, y aquí comienza lo que se puede imaginar.

Me arriesgo, nunca dejaré de creer que la realidad física está en el medio y no en la onda que se propaga, y si un electrón se comporta como un perfecto medio de oscilación, debe de ser porque lo es. Si la energía de la luz es la misma que pierden o ganan los electrones cuando cambian su modo de oscilación, debe de ser porque la luz no es más que la onda que se propaga y los electrones son el medio, así que no es imposible deducir el aspecto de un electrón aunque no podamos verlo, porque si somos capaces de seguir a las ondas de luz en el espacio, estaremos siguiendo la forma del medio que las propaga. ¿Cuál es entonces la forma de las ondas de la luz?, ¿cuál es?

Si ponemos una fuente de luz y una segunda fuente idéntica pero doblando la distancia, observamos a la segunda con una intensidad cuatro veces menor, no igual ni la mitad. Eso nos dice que la luz no se comporta como las ondas en una cuerda, pues entonces no habría pérdida de amplitud y las dos luces deberían verse con la misma intensidad. Tampoco se comporta como las ondas planas en la superficie del agua, pues entonces el contorno circular de cada onda se duplicaría si también se duplica su radio, y como la energía de la onda debe repartirse por toda la onda, la intensidad observada debería ser la mitad, no 4 veces menor. Definitivamente, la luz está relacionada con ondas esféricas cuya superficie aumenta con el cuadrado de su radio, y si repartimos la energía por toda la onda, duplicando el radio, entonces la intensidad se reducirá 4 veces como se demuestra en la práctica.

La forma de un electrón tiene que ser esférica, y su extensión en el espacio debería superponerse con la de toda la materia hasta llegar tan lejos como alcance la luz, así debe ser si la realidad física está en el medio y no en la onda, porque ya no habrá onda donde su medio no alcance. Si el famoso entramado de tiempo y espacio no es más que la extensión ondulatoria y estacionaria de la materia, de repente se comprende por qué se deforma el espacio-tiempo y de qué forma se relaciona con las partículas de materia. Pero si esa extensión no se ve, ¿cómo se puede pensar que existe? Tampoco se puede ver el espacio-tiempo ni los campos cuánticos, y ahí están, llenándonos la cabeza de paradojas.

Sabemos que la luz está dividida en pequeños paquetes de energía que denominamos fotones, y dichos fotones no se dividen jamás. Así lo demuestra el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, y la creación de pares de partículas que pueden ser creadas con dos fotones pero nunca con uno solo. Es evidente que una radiación se reparte por igual en todas direcciones manteniendo siempre fotones completos. Cada fotón que alcance a una de nuestras retinas llegará siempre completo sin que importe la distancia. Un fotón de alta energía es igual de peligroso para nuestros ojos cuando es emitido a escasos centímetros que cuando es emitido desde el Sol.

Bien, se podría decir que una radiación es en realidad como una lluvia de partículas en todas direcciones, pero eso tampoco es cierto porque diferentes experimentos de difracción demuestran patrones ondulatorios incluso emitiendo partículas de una en una. Si cada fotón por separado es una onda esférica que se desparrama en todas direcciones, ¿cómo puede llegar completo puntualmente a un determinado lugar? Argumentos como ese los encontramos en cada libro de iniciación a la física cuántica, condiciones imposibles que según los autores deberían dejarnos claro que no vale la pena intentar comprenderlo. De alguna forma nos dicen que la razón ha muerto pero que no pasa nada… ¿¡Cómo qué no pasa nada!? ¿Por qué no vale la pena comprender todo lo que pone en peligro a la versión probabilística de la función de onda?

Si cada partícula es un medio que oscila de forma estacionaria y su geometría es esférica, una sección plana revelaría capas concéntricas que nos recordarían a las ondas en el agua, aunque oscilando sin propagación. La siguiente animación de ondas estacionarias planas puede ayudar a entender mejor el concepto, ya que resulta imposible dibujar y animar en tres dimensiones lo que podemos llamar un campo de ondas estacionarias de geometría esférica.

Cuando ese campo de ondas estacionarias cambie su modo de vibración a otro de menor energía, la energía sobrante será expulsada hacia el exterior en forma de ondas esféricas. Un electrón, un átomo, una molécula, cualquier objeto radiante, es el evidente medio en el que se propagan esas ondas que denominamos fotones de luz, y si entendemos que se libera de lo que le sobra expandiéndolo, ¿de qué forma debería capturar energía cuando le falte?... ¿No se entiende que debe hacerlo igual pero en sentido contrario?

Piensa en el Sol, rebosando energía que debe retirar hacia capas más y más externas de su campo estacionario. Esa energía tocará la Tierra y formará un mar de interferencias con el campo estacionario terrestre, pero las interferencias no pueden ser la vía de transferencia de la luz… ¿Por qué? Pues porque cada fotón será una onda esférica completa y en su interferencia cedería solo una minúscula parte de su energía, inversamente proporcionar al cuadrado de la distancia como corresponde a las ondas esféricas, ¿se recuerda?... Entonces… ¿Qué? Pues que la radiación solar se acabará expandiendo lo necesario hasta conectar completamente con el campo terrestre, ondas completas con ondas completas, y entonces el campo terrestre se irá llenando de radiación convergente, dibujando la pequeña realidad que observamos como fina lluvia de partículas de luz.

            ¿No explica eso por qué un fotón se libera como una onda en expansión pero es capturado como partícula? Las capas más externas de un átomo excitado son el cuarto donde acumula lo que le sobra, y esas mismas capas de otro átomo más frío son el recibidor de lo que le falta. Si los dos átomos comparten esas capas en el espacio como si fueran un solo átomo, entonces el más frío captará el fotón en forma de ondas convergentes, completas, nunca en forma de interferencias con ondas en expansión, porque la energía que pueden entregar disminuye demasiado rápido con la distancia.

            Enhorabuena si lo entiendes, porque así de simple puede ser la solución a los 100 años de paradoja onda-partícula, ese virus de ignorancia que mató el sentido de la realidad a los físicos más influyentes de nuestra historia reciente, es tan simple que parece mentira si no ponemos en ello toda la razón, todo el corazón, y todo el alma. Ecos de realidad golpean cada vez más fuerte a las puertas de nuestra ciencia, pero aquellos que deciden qué es la ciencia no dejan de poner contrafuertes y se agota la esperanza de apertura, ¿hasta cuándo resistirá su fortaleza sin cimientos de realidad?

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