Naturaleza del Tejido Cuántico

A nivel cuántico, en ausencia de medición y para cada instante infinitesimal, todos los estados de cualquier propiedad de una partícula están superpuestos. Por esto se dice que las propiedades de las partículas no están definidas con precisión absoluta antes de la medición. Esta es la idea central y más revolucionaria de la teoría: el concepto de superposición cuántica y la naturaleza probabilística (indeterminada) de las propiedades de las partículas; algo omnipresente a nivel cuántico.

En física clásica, se asume que las partículas tienen propiedades bien definidas en cada instante. Así, propiedades como posición, velocidad, momento, tiempo, etc., toman valores absolutos independientemente de si estas propiedades son observadas, medidas o calculadas. Por ejemplo, si una pelota está en movimiento, se puede decir con certeza cuál es su posición y velocidad en cualquier instante dado, aún sin observarla. No es que cada propiedad puede tomar uno de varios valores posibles sino que sólo puede tomar un único valor con absoluta certeza.

En contraste, la mecánica cuántica sugiere que, hasta que se realice una medición, las partículas como electrones, fotones, etc., no tienen valores definidos para ciertas propiedades. En lugar de eso, lo que se define es una función de onda que proporciona la información sobre la probabilidad de encontrar la partícula en un estado particular cuando se mide. Esta función de onda puede describir múltiples posibilidades simultáneamente —un estado conocido como superposición—.

Cuando una medición (observación o cálculo) es realizada, la función de onda "colapsa" a uno de los posibles estados definidos, y es en ese momento que la propiedad de la partícula (como la posición o el momento) toma un valor concreto. Antes de la medición, decir que una partícula tiene una posición o momento específico no tiene sentido dentro del marco de la mecánica cuántica.

Así, las propiedades de las partículas son intrínsecamente probabilísticas hasta que son observadas, medidas o calculadas. Se dice entonces que, a nivel cuántico, los sistemas tienen estados superpuestos que colapsan o se manifiestan en el instante de la observación práctica o derivativa.

El fenómeno de incertidumbre no expresa una limitación tecnológica en la capacidad de medir o calcular sin perturbar, sino una propiedad fundamental de cómo funcionan las partículas a nivel cuántico. El Principio de Incertidumbre de Heisenberg formaliza matemáticamente este aspecto, estableciendo un límite a la precisión con la que ciertas propiedades pueden ser conocidas simultáneamente.

La idea de que las propiedades de una partícula están en superposición antes de realizar una medición es una manera de entender la naturaleza de la función de onda cuántica. La función de onda encapsula toda la información posible sobre el estado de una partícula y describe una superposición de todos los posibles estados en los que la partícula puede encontrarse.

Superposición, colapso e incertidumbre se combinan de la siguiente manera:

a. Superposición Cuántica: Una partícula, como un electrón en un átomo, no tiene una posición o un momento definidos antes de la medición. En lugar de eso, la función de onda del electrón describe una superposición de todos los posibles lugares donde podría encontrarse el electrón. La forma exacta de la función de onda depende del sistema y de las condiciones a las que está sujeta la partícula.

b. Evolución Temporal: La evolución en el tiempo de la función de onda de una partícula está regida por la ecuación de Schrödinger, una ecuación fundamental en mecánica cuántica. Según esta ecuación, la función de onda evoluciona de manera determinista mientras no se realice ninguna medición. Esto significa que, en ausencia de observación, el estado de superposición de la partícula cambia con el tiempo de acuerdo a principios predecibles.

c. Colapso de la Función de Onda: Cuando se realiza una medición, como determinar la posición de un electrón, la función de onda se "colapsa" a un estado particular. Es decir, de todas las posibilidades descritas por la función de onda, se selecciona una en el acto de medir. Antes de esta medición, no es correcto decir que el electrón estaba en alguna posición específica.

d. Efecto Incertidumbre: El colapso de la función de onda es de tal forma que la precisión en la medida de una propiedad determina la incertidumbre en la medida de la propiedad (conjugada) de un par (a, b), según las exigencias establecidas en las expresiones del principio de incertidumbre: el aumento en la precisión al medir una propiedad, incrementa la incertidumbre en la medida de la propiedad conjugada.

En cada instante y mientras las propiedades cuánticas no han sido medidas, se considera que la partícula mantiene sus propiedades en estados superpuestos con todas sus posibilidades permisibles según su función de onda. Esto no se limita a propiedades como posición-momento o energía-tiempo; también incluye otras propiedades como el espín, la polarización, entre otras. Cualquier partícula cuántica permanece en ese estado incierto de superposición.

Este principio es lo que habilita el surgimiento de ciertos fenómenos como la interferencia y el entrelazamiento cuántico, que son fundamentales en tecnologías emergentes como la computación cuántica y la criptografía cuántica.

El principio de incertidumbre emerge del formalismo matemático empleado para abordar el estudio de la naturaleza cuántica y ondulatoria de la materia. Tal Principio se puede derivar y entender completamente a través del formalismo de operadores y espacios de Hilbert en mecánica cuántica, sin necesidad de recurrir a otros principios de la física.

¿De dónde proviene, últimamente, la superposición de estados cuánticos? ¿Por qué las propiedades a nivel cuántico permanecen superpuestas? En principio esto ocurre porque los fenómenos a nivel cuántico tienen permitido esa posibilidad, grado de libertad que se pierde a medida que las fuerzas naturales consolidan los estados macroscópicos.

La superposición puede estar ocurriendo porque esa libertad, de estados superpuestos, le otorga mayor flexibilidad y estabilidad al sistema cuántico. La miriada, el maremagma, de fenómenos que ocurren a pequeña escala colapsaría en un caos bajo condiciones deterministas por las ingentes demandas de energía-tiempo destinadas a la coordinación de estados cuánticos.

Pero la incógnita persiste! Puede estar ocurriendo que a pequeña escala se vuelve relevante no sólo la granulometría fina de la masa (y la energía) sino también la cuantización del espacio-tiempo. Así como hay cuantos de acción expresados por la constante de Planck, pueden existir cuantos de espacio-tiempo, todavía no medidos ni teorizados, que dejarían a los fenómenos con propiedades indeterminadas. Así de extraña podría ser la naturaleza del tejido cuánticos.