Podemos conseguir una pista para la respuesta examinando los detalles. En el experimento, muchos de los balones van a parar al punto que está en medio de los puntos donde esperaríamos que fueran a parar los balones si pasaran por una rendija o por la otra. Un poco más al lado de dicha posición central llegan muy pocas moléculas, pero un poco más allá, se vuelve a observar la llegada de muchas moléculas. Este patrón no es la suma de los patrones formados cuando una de las rendijas estaba abierta y la otra cerrada, sino que se puede reconocer en él el patrón característico de la interferencia de las ondas, que hemos visto en el capítulo 3, Las zonas donde no llegan moléculas corresponden a regiones en que las ondas emitidas por las dos rendijas llegan en oposición de fase y producen por lo tanto interferencia destructiva; las zonas donde llegan muchas moléculas corresponden a regiones en que las ondas llegan en fase, y producen interferencia constructiva.
En los primeros dos mil años de pensamiento científico, aproximadamente, la experiencia ordinaria y la intuición constituyeron la base de la explicación teórica. A medida que mejoramos la tecnología y expandimos el dominio de fenómenos observables, empezamos a hallar que la naturaleza se comportaba de maneras cada vez menos parecidas a las de la experiencia cotidiana, y por lo tanto menos acordes con nuestra intuición, como lo pone en evidencia el experimento con los fullerenos. Ese experimento es típico de la clase de fenómenos que no pueden ser explicados mediante la ciencia clásica, pero sí están descritos por lo que se denomina la física cuántica. De hecho, Richard Feynman escribió que el experimento de la doble rendija como el que hemos descrito «contiene todo el misterio de la mecánica cuántica».
Los principios de la física cuántica fueron desarrollados en las primeras décadas del siglo XX, después de haber advertido que la teoría newtoniana resulta inadecuada para la descripción de la naturaleza a niveles atómico y subatómico. Las teorías fundamentales de la física describen las fuerzas de la naturaleza y cómo los objetos reaccionan frente a ellas. Las teorías clásicas, como la de Newton, están construidas sobre un marco que refleja la experiencia cotidiana, en que los objetos materiales tienen una existencia individual, pueden ser localizados en posiciones concretas y siguen trayectorias bien definidas. La física cuántica proporciona un marco para comprender cómo la naturaleza actúa a escalas atómicas y subatómicas, pero, como veremos después con mayor detalle, implica un esquema conceptual completamente diferente, en el cual la posición, la trayectoria e incluso el pasado y el futuro dé los objetos no están determinados con precisión. Las teorías cuánticas de las fuerzas, como la gravedad o la fuerza electromagnética, son teorías construidas en ese marco.
¿Pueden las teorías construidas sobre un marco tan ajeno a la experiencia cotidiana explicar también los acontecimientos que forman parte de dicha experiencia, y que fueron tan bien modelizados por la física clásica? Sí pueden, ya que nosotros y nuestro entorno somos estructuras compuestas, constituidas por un número inimaginablemente grande de átomos, mayor que el número de estrellas que hay en el universo. Y aunque los átomos componentes obedecen los principios de la física cuántica, es posible demostrar que los grandes conjuntos de átomos que forman los balones de fútbol, los nabos, los aviones jumbo, y nosotros mismos, consiguen no difractarse a través de rendijas. Así pues, aunque los componentes de los objetos cotidianos obedecen la física cuántica, las leyes de Newton constituyen una teoría efectiva que describe con gran precisión cómo se comportan las estructuras compuestas que constituyen nuestro mundo cotidiano.
Eso puede resultar extraño, pero en la ciencia hay muchos ejemplos en que un conjunto grande parece comportarse característicamente de una manera muy diferente al de sus componentes individuales. Así, por ejemplo, las respuestas de una sola neurona están muy lejos de revelar las complejidades del cerebro humano, del mismo modo que conocer una molécula de agua no nos dice mucho sobre el comportamiento de un lago. En el caso de la física cuántica, los físicos todavía están trabajando para aclarar los detalles de cómo las leyes de Newton emergen del dominio cuántico. Lo que sabemos es que los componentes de todos los objetos obedecen las leyes de la física cuántica, y que las leyes newtonianas conforman una buena aproximación para describir el comportamiento de los objetos macroscópicos constituidos por dichos componentes cuánticos.
Las predicciones de la teoría cuántica, por lo tanto, se ajustan muy bien a la visión de la realidad que vamos desarrollando a partir de nuestra experiencia del mundo que nos rodea. Pero los átomos y moléculas individuales funcionan de una manera profundamente diferente de la de nuestra experiencia cotidiana. La física cuántica es un nuevo modelo de la realidad que nos proporciona una imagen del universo en que muchos conceptos fundamentales para nuestra comprensión intuitiva de la realidad carecen de significado.
El experimento de las dos rendijas fue llevado a cabo por primera vez en 1927 por Clinton Davisson y Lester Germer, físicos experimentales de los laboratorios Bell que estaban investigando cómo un haz de objetos muchos más simples que los fullerenos -los electrones- interaccionaba con un cristal de níquel. El hecho de que partículas materiales como los electrones se comportaran como ondas de agua fue el tipo de observaciones experimentales sorprendentes que inspiraron la física cuántica. Como ese comportamiento no es observado a escala macroscópica, los científicos se han preguntado cuan grande y complejo puede llegar a ser un sistema sin que deje de exhibir tales propiedades ondulatorias. Causaría un considerable revuelo si se pudiera demostrar dicho efecto con personas o con hipopótamos pero, tal como hemos dicho, en general, cuanto mayor es un objeto menos manifiestos y robustos son los efectos cuánticos. Por lo tanto, es muy improbable que los animales del zoológico pasen ondulatoriamente entre las rejas de sus jaulas. Aun así, los físicos experimentales han observado fenómenos ondulatorios con «partículas» de tamaño cada vez, mayor, y esperan poder replicar algún día con virus los experimentos llevados a cabo con fullerenos. Los virus no tan sólo son mucho mayores, sino que son considerados por algunos como una cosa viva.
Para comprender las explicaciones de los capítulos siguientes tan sólo es necesario entender unos pocos aspectos de la física cuántica. Una de sus características cruciales es la dualidad partícula/onda. Que las partículas de la materia se comporten como una onda sorprendió a todo el mundo. Que la luz se comporte como una onda ya no sorprende a nadie. El comportamiento ondulatorio de la luz nos parece natural y ha sido considerado un hecho aceptado durante casi dos siglos. Si se proyecta un haz de luz sobre las dos rendijas del mencionado experimento, emergen de ellas dos ondas que se encuentran sobre la pantalla. En algunos puntos, sus crestas o sus valles coinciden y forman una mancha brillante; en otros, la cresta de un haz coincide con el valle del otro y se anulan entre sí, dejando una mancha oscura. El físico ingles Thomas Young realizó este experimento a comienzos del siglo xix y logró convencer a la gente de que la luz era una onda y no, como había creído Newton, compuesta de partículas.
A pesar de que se podría concluir que Newton se había equivocado al afirmar que la luz no era una onda, estaba en lo cierto cuando dijo que la luz puede actuar como si estuviera compuesta de partículas. En la actualidad, tales partículas son denominadas fotones. Así como nosotros estamos compuestos por un gran número de átomos, la luz que vemos en la vida cotidiana está compuesta por un número inmenso de fotones -una lámpara de un vatio emite un millón de billones de fotones cada segundo-. Los fotones por separado habitualmente no resultan evidentes, pero en el laboratorio podemos producir haces de luz tan débiles que consisten en un chorro de fotones separados c|ue podemos detectar uno a uno, tal como podemos detectar uno a uno los electrones o los fullerenos. Y podemos repetir el experimento de Young utilizando un haz suficientemente tenue tal que los fotones alcancen la barrera de uno en uno, con algunos segundos de separación entre cada uno de ellos. Si lo hacemos, y sumamos todos los impactos individuales registrados en la pantalla al otro lado de la barrera, hallamos que en conjunto dan lugar al mismo patrón de interferencia que surgiría si realizáramos el experimento de Davisson-Germer pero disparando los electrones (o los fullerenos) uno por uno, separadamente. Para los físicos, esto resultó una revelación asombrosa: si las partículas individuales interfieren consigo mismas, entonces la naturaleza de la luz no es tan sólo la propiedad de un haz o de un conjunto grande de fotones, sino de las partículas individuales.