Lo que le debes a la mecánica cuántica

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El microscopio electrónico. La consiguiente identificación del virus como agente causal de enfermedades. El microscopio de efecto túnel. La tomografía de electrones. La secuenciación del genoma humano. La capacidad de cortar y pegar secuencias de genes. El desarrollo de medicamentos más funcionales, con mejor absorción por el cuerpo y con menores efectos secundarios. En resumen, quince o veinte años de esperanza de vida.

La energía solar fotovoltaica. La energía nuclear. Nuevos materiales como los nanotubos de carbono o el grafeno. El GPS. Los satélites meteorológicos. El viaje espacial tripulado*.

El láser. El CD. EL DVD. El Blu-Ray. El televisor** de plasma, LCD, LED o inserte aquí sus siglas preferidas. La radio portátil. La calculadora electrónica de bolsillo. El reproductor de mp3. El ordenador personal. La tableta. La cámara digital. El teléfono móvil.

Internet.

Éstas son solo algunas cosas de nuestro mundo cotidiano que todos damos por supuestas pero que, sencillamente, no existirían de no haberse descubierto la mecánica cuántica hace algo más de cien años.

Así, como se lo cuento. La mecánica cuántica es, probablemente junto con las matemáticas, la investigación más básica que se me ocurre —ya saben, esa que se hace con la simple motivación de comprender mejor la naturaleza, es decir “por amor al arte”, y a la que ningún empresario o político en su sano juicio dedicaría un duro más de lo estrictamente necesario, habida cuenta de que sus resultados no son aplicables a corto plazo o antes de las próximas elecciones. Y, sin embargo, la mecánica cuántica es la rama que más ha cambiado nuestra realidad desde pocas décadas después de descubrirse.

Sin la inversión en investigación básica que permitió a un puñado de científicos preguntarse por el mundo microscópico, la naturaleza del átomo y otras cuestiones supuestamente menores que aún quedaban por resolver en la flamante física de finales del s. XIX, el mundo hoy sería muy diferente. Si ustedes releen la lista, el resultado imaginable es algo más parecido a la década de 1930 que a nuestros días. No tengo tiempo para detenerme en justificar cada punto —si quieren, podemos discutirlos con tranquilidad en los comentarios—, pero como soy consciente de la extrañeza que produce este tipo de afirmaciones pasaré de puntillas sobre el ejemplo más gráfico, el desarrollo de la microelectrónica, que está en el corazón de nuestra forma de relacionarnos con el mundo hoy en día.

La electrónica representa nuestro dominio del electrón, la capacidad de hacer circular electricidad —corrientes de electrones— por un circuito como si fuera una rata entrenada en un laberinto. Dicho laberinto tiene puertas que se abren en ambos sentidos, otras que solo se pueden cruzar en un sentido, pendientes deslizantes y una serie de dispositivos destinados a realizar operaciones, sumas, restas, multiplicaciones, etc., a base de hacer pasar electrones por los caminos adecuados. El transistor es uno de los elementos fundamentales de estos laberintos. Entre otras cosas, en un transistor se puede utilizar una pequeña señal eléctrica para dejar pasar otra, impedirle el paso o amplificarla, algo fundamental en el funcionamiento de prácticamente cualquier aparato electrónico que podamos imaginar.

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Válvula de vacío. Nótese el asa para facilitar su retirada e intercambio.

Pues bien, en las primeras décadas del s. XX, la electrónica se basaba en válvulas de vacío. Dichas válvulas llevaban un ánodo y un cátodo en los extremos y una rejilla en la parte central, por donde se podía hacer circular una pequeña corriente con objeto de modificar el potencial entre el ánodo y el cátodo e impedir, permitir o amplificar a voluntad el paso de la corriente eléctrica entre los dos extremos. Gracias al desarrollo de las válvulas de vacío se construyeron los primeros ordenadores, como el ENIAC, en 1945, mucho más poderosos que sus “antecesores” basados únicamente en relés, como el Z3 de Konrad Zuse (1941).

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ENIAC. Imagínese la locura de cambiar varias de esas 17500 válvulas de vacío cada semana…

ENIAC contaba con 17500 válvulas de vacío y 7200 diodos, tenía una frecuencia de reloj de 1 kHz, y entre 100 y 500 bytes de lo que podríamos considerar una memoria primitiva. Una bestia impresionante para la época que, a cambio, ocupaba un pequeño apartamento, pesaba 30 toneladas y consumía la friolera de 174 kW. Y, por si esto fuera poco, las válvulas de vacío fallaban más que una escopeta de feria, rara vez pasaba una semana sin que tuvieran que cambiar unas cuantas.

Las válvulas de vacío se siguen utilizando hoy en día en algunos dispositivos, como amplificadores musicales, y puede que usted haya visto en casa de sus abuelos una de esas radios antiguas que basan su funcionamiento en ellas. No es difícil imaginarse cómo serían los ordenadores de hoy si aún se basaran en válvulas de vacío: seguirían siendo mamotretos enormes, pesados y prohibitivos energéticamente hablando. Y esto es así porque si uno intenta miniaturizar una válvula de vacío con objeto de que sea más ligera y consuma menos, pronto se encuentra con que la disipación del calor generado en la válvula —que dependen respectivamente de su superficie y su volumen— ya no es suficiente y la válvula, en pocas palabras, se tuesta con una facilidad pasmosa.

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Aquí dentro hay cientos de millones de transistores, cada uno funcionando en esencia como una válvula de vacío. Esto es posible solo gracias a nuestro conocimiento de la mecánica cuántica.

Aquí es donde entra en juego la mecánica cuántica. Una vez asentados los principios de esta nueva rama del conocimiento, quedó claro el camino a seguir: podían aprovecharse algunos de los extraños efectos cuánticos, como el efecto túnel —por el cual una partícula tiene cierta probabilidad de atravesar una barrera que en condiciones clásicas sería infranqueable— y la obligación de los electrones de los átomos a asentarse en estados de energía cuantizados —es decir, con ciertos valores discretos de la energía y no otros intermedios—, para crear semiconductores con diferentes conductividades eléctricas a base de añadir cierto grado de impurezas de la manera adecuada. Estos semiconductores se podían combinar para crear transistores mucho más pequeños, ligeros, resistentes y de menor consumo que aquellos basados en las válvulas de vacío.

El primer transistor fue creado en Estados Unidos en los laboratorios Bell de AT&T a finales de los años 40 y supuso el inicio de la revolución microelectrónica. Casi dos décadas después, la NASA montaba el Apollo Guidance Computer, que con sus 2 KB de memoria, su MHz de frecuencia de reloj y su bajo consumo energético —adaptado a los rigores y carencias de la exploración espacial— dejaban en ridículo al flamante ENIAC de antaño.

El resto de la historia ya la conocen ustedes. Ordenadores cada vez más pequeños y potentes —por si no lo sabe, lleva en el bolsillo una máquina mucho más poderosa que el ordenador de a bordo de la nave que nos llevó a la Luna—, ordenadores personales conectados entre sí en una red global que ha cambiado para siempre y de formas que aún no comprendemos en profundidad nuestra manera de enfrentarnos al mundo y relacionarnos con él.

Si les interesa el tema, les pongo a continuación —clic en la imagen para acceder al vídeo— la charla de 10 minutos que di sobre este asunto en Naukas Quantum 2013 el pasado octubre en San Sebastián, usando el ejemplo de la mecánica cuántica para ilustrar la importancia de la inversión en investigación básica, que a largo plazo puede significar la diferencia entre el mundo actual que conocemos y el de 1940.

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Breve ucronía de un siglo sin mecánica cuántica, mi charla en Naukas Quantum 13. Clic en la imagen para acceder al vídeo.

No sé ustedes qué prefieren, yo lo tengo muy claro (y eso que me encantan los sombreros antiguos).

*Estrictamente hablando, el desconocimiento de la mecánica cuántica no haría imposible el viaje espacial tripulado, pero sí haría cualquier clase de ordenador de a bordo enormemente costoso —en términos no solo energéticos, sino también de masa, combustible y tecnología de cohete necesaria— y, en la práctica, probablemente inviable: sin ordenador, los cálculos orbitales correrían a cargo del control central de la misión y serían recibidos en la nave por radio. Esto no solo restringiría la exploración espacial al Sistema Tierra-Luna debido al excesivo retraso de la señal más allá, sino que la alta tasa de fallo de las válvulas de vacío de la radio harían el viaje ciertamente peligroso.
**Televisores sí que habría, pero ni siquiera serían de tubos de rayos catódicos, sino probablemente electromecánicos. Echen un vistazo a este artículo de la wikipedia, que no tiene desperdicio.
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Acerca de Miguel Santander

Tras el Horizonte de Sucesos
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