Fa un parell d’anys vaig escriure en aquesta mateixa publicació sobre la gran importància que avui dia té la física quàntica, aprofitant el centenari d’una altra gran idea que va contribuir als seus fonaments: la dualitat ona-partícula proposada per Louis de Broglie el 1924. De Broglie ens va dir que les partícules materials, com els electrons, també es poden comportar com ones. Dos anys més tard, el 1926, el físic austríac Erwin Schrödinger va trobar la manera matemàtica de descriure aquestes “ones de matèria”. El resultat va ser una de les equacions més importants de la història de la ciència: l’equació de Schrödinger. Enguany, per tant, en celebrem el centenari.

També m'agradaria destacar que la física quàntica és una construcció col·lectiva en què molts científics van anar col·locant, un rere l’altre, els “maons” d’un nou edifici teòric: Max Planck va introduir la idea dels quanta d’energia; Albert Einstein va explicar l’efecte fotoelèctric i la naturalesa corpuscular de la llum; Niels Bohr va proposar el primer model quàntic de l’àtom; de Broglie va suggerir la dualitat ona-partícula; i Werner Heisenberg va desenvolupar una formulació matemàtica alternativa de la teoria, per mencionar només alguns dels més importants. En aquest context, Schrödinger va aportar amb la seva equació una peça fonamental, la importància de la qual difícilment es pot exagerar, ja que és el cor de la mecànica quàntica, la teoria que descriu el comportament de la matèria i de la llum a escala microscòpica. Sense aquesta teoria no entendríem els àtoms, la química, els materials moderns ni gran part de la tecnologia que utilitzem cada dia.

La quantitat central a l’equació de Schrödinger és la funció d’ona, la qual descriu l’estat d’un sistema quàntic. Tanmateix, la seva interpretació probabilística no la va proposar Schrödinger, sinó el físic alemany Max Born el mateix any 1926. Born va rebre el Premi Nobel de Física el 1954 per aquesta contribució essencial. Curiosament, també és conegut per una connexió amb la cultura popular: era l’avi matern d’Olivia Newton-John, cantant i actriu famosa, entre altres coses, pel seu paper protagonista a la pel·lícula musical Grease.

Schrödinger, inspirat per les idees de Planck, Einstein i de Broglie, i segons alguns relats històrics, durant l’hivern de 1925 es va retirar uns dies a un hotel als Alps suïssos per treballar en la recerca de l’equació de les ones materials. Allà, lluny del bullici universitari, va aconseguir formular la primera versió de l’equació. El 1926 va publicar una sèrie d’articles on demostrava que la seva equació reproduïa correctament els nivells d’energia de l’àtom d’hidrogen, un dels grans problemes de la física de l’època.

La seva equació reproduïa correctament els nivells d’energia de l’àtom d’hidrogen, un dels grans problemes de la física de l’època.

Una de les conclusions més dramàtiques d’aquestes investigacions és que la natura no es comporta de manera completament determinista com en la física clàssica. Un electró dins d’un àtom no segueix una trajectòria definida al voltant del nucli, com un planeta al voltant del Sol. En canvi, es troba distribuït en una mena de núvol de probabilitat que envolta el nucli. L’equació de Schrödinger permet calcular la forma d’aquest núvol i les energies possibles de l’electró.

Aquesta nova visió de la realitat física va generar intensos debats entre els fundadors de la mecànica quàntica. Alguns, com Bohr o Heisenberg, acceptaven que la probabilitat fos una característica fonamental de la natura. Altres, com Einstein o el mateix Schrödinger, trobaven difícil acceptar aquesta idea. La famosa frase d’Einstein, “Déu no juga als daus”, reflecteix aquesta incomoditat davant el caràcter probabilístic de la teoria. Einstein i Schrödinger admiraven l’enorme poder predictiu de la teoria, però pensaven que no podia ser la descripció última de la realitat.  Els esforços per entendre millor els fonaments de la mecànica quàntica continuen avui en dia en diverses direccions, des del paper de la informació quàntica fins als intents d’unificar la mecànica quàntica amb la gravetat en una teoria més profunda de la natura.

Seguint el seu esperit crític, Schrödinger també va contribuir a popularitzar la física quàntica amb una de les imatges més potents de la física: el famós “gat de Schrödinger”, que va proposar el 1935 com a experiment mental per mostrar les paradoxes de la interpretació quàntica: Imaginem un gat tancat dins d’una caixa juntament amb un mecanisme que depèn d’un procés quàntic aleatori, com la desintegració d’un àtom radioactiu. Si l’àtom es desintegra, el mecanisme allibera un verí i el gat mor; si no es desintegra, el gat continua viu. Segons una interpretació estricta de la mecànica quàntica, abans d’obrir la caixa el gat estaria en una superposició dels estats “viu” i “mort”, que a vegades s’interpreta erròniament com que estaria alhora viu i mort. Schrödinger va posar aquest exemple per mostrar fins a quin punt els conceptes quàntics, quan s’apliquen al món quotidià, poden ser contraintuïtius. Amb el temps, aquesta imatge s’ha convertit en una metàfora per explicar la naturalesa estranya i fascinant del món quàntic que descriu la seva equació.

Schrödinger va rebre el Premi Nobel de Física el 1933, juntament amb el físic britànic Paul Dirac, “pel descobriment de noves formes productives de la teoria atòmica”. Cent anys després de la seva formulació, aquesta equació continua fascinant els científics. No només per la seva utilitat pràctica, sinó també perquè ens obliga a no deixar de pensar sobre com funciona la natura. El món quàntic és estrany, probabilístic i ple de fenòmens sorprenents, però també és molt precís i predictiu, i avui és un dels principals camins per al desenvolupament de noves tecnologies de frontera.

Carlos F. Sopuerta

Físic, Investigador Científic de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC i IEEC)

President de l’ACDIC