La física cuántica es famosa por ser difícil de entender. Desde la superposición de estados hasta el principio de complementariedad, sus conceptos desafían la intuición. ¿Cómo puede un objeto estar en dos lugares al mismo tiempo? ¿Cómo puede una medición cambiar instantáneamente el estado de una partícula? Gianluca Li Causi, investigador en el Observatorio Astronómico de Roma, propone una solución sorprendente: usar ilusiones ópticas para ayudar a visualizar estos fenómenos.

En su artículo publicado en The Physics Teacher, Li Causi muestra cómo ciertas ilusiones visuales, como las imágenes reversibles, pueden hacer que conceptos como el colapso cuántico o el entrelazamiento sean más comprensibles. Su propuesta busca brindar una experiencia sensorial directa que evite los errores de interpretación que surgen con otras analogías más tradicionales. Veamos cómo funciona esta idea.

El problema de visualizar la cuántica

Uno de los principales retos de la enseñanza de la mecánica cuántica es que los objetos cuánticos no tienen equivalentes en la vida cotidiana. Un electrón puede estar en dos estados a la vez, pero un objeto clásico, como una pelota, no puede ser roja y azul simultáneamente. Este tipo de diferencias hace que muchos estudiantes tengan problemas para comprender los principios fundamentales.

Li Causi señala que los métodos tradicionales de enseñanza utilizan simulaciones, juegos y ejemplos tomados del mundo macroscópico, pero estos enfoques tienen limitaciones. En cambio, propone un nuevo paradigma visual: asociar las propiedades cuánticas a ilusiones ópticas específicas. Su argumento es que algunas imágenes pueden inducir en el espectador una percepción dual, muy similar a la ambigüedad que caracteriza a las partículas cuánticas antes de ser medidas.

El paralelismo con los dibujos biestables

Las imágenes biestables son ilustraciones que pueden interpretarse de dos formas diferentes. Dependiendo de cómo las mire el observador, verá una imagen u otra, pero nunca ambas simultáneamente. Ejemplos clásicos incluyen el “Cubo de Necker”, la figura de “Mi esposa y mi suegra” y el “Jarrón de Rubin”.

Según Li Causi, estas imágenes tienen un gran potencial didáctico porque reproducen el concepto de colapso cuántico. En mecánica cuántica, una partícula en superposición tiene varios estados posibles al mismo tiempo, pero cuando se mide, se “decide” por uno solo. Lo mismo ocurre con las imágenes biestables: la percepción cambia de manera espontánea y aleatoria, sin posibilidad de ver ambas interpretaciones a la vez.

Complementariedad: el principio clave en una carta con dos dibujos

Otro concepto clave en física cuántica es el principio de complementariedad, que indica que ciertas propiedades de una partícula no pueden ser medidas al mismo tiempo. Por ejemplo, si medimos la posición de un electrón con precisión, perderemos información sobre su velocidad.

Para ilustrarlo, Li Causi sugiere una carta con un dibujo bistable en cada cara. Si un lado tiene el “Jarrón de Rubin” y el otro la figura de M2i esposa y mi suegra”, la percepción de un dibujo excluye la del otro. Esta correspondencia refleja cómo la medición de una propiedad cuántica impide conocer su complemento.

Entrelazamiento cuántico: dos imágenes gemelas

El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más extraños de la física. Cuando dos partículas están entrelazadas, medir una afectará instantáneamente a la otra, sin importar la distancia que las separe. Para visualizar esto, Li Causi propone colocar dos imágenes biestables idénticas lado a lado.

Si una persona observa una de las imágenes y percibe una forma, al mirar la otra imagen verá automáticamente la misma interpretación. De este modo, se ilustra cómo dos partículas entrelazadas siempre muestran resultados correlacionados, incluso si su estado original era incierto.

Para representar un entrelazamiento anticorrelacionado, donde las partículas siempre tienen estados opuestos, Li Causi sugiere usar una imagen invertida junto a la original.

En la siguiente imagen, uno de los jarrones es invertido. Esto se utiliza para representar el entrelazamiento cuántico con anticorrelación. En este caso, si observas que el primer dibujo muestra un jarrón, el segundo dibujo automáticamente será percibido como las caras, y viceversa. Esto se relaciona con la idea de que si una partícula entrelazada es medida y tiene un estado definido (por ejemplo, “arriba”), la otra tendrá automáticamente el estado opuesto (“abajo”).

En la segunda imagen, se muestra cómo el entrelazamiento cuántico genera correlaciones (positivas o negativas) entre partículas, independientemente de la distancia. Además, la percepción visual en estos dibujos refleja cómo la medición de una propiedad en un sistema cuántico puede influir instantáneamente en otro sistema relacionado.

El “giro” cuántico y las ilusiones de movimiento

El spin de una partícula es una propiedad fundamental, pero no es una rotación física en el sentido clásico. Para representarlo, el investigador recomienda ilusiones ópticas de rotación. Un buen ejemplo es la imagen de una espiral que parece girar aunque esté completamente estática.

Este tipo de ilusión es útil para explicar que, aunque el spin tiene efectos similares a un giro, no implica que la partícula esté físicamente rotando. La diferencia entre una partícula con spin +½ y una con spin -½ se puede ilustrar con dos imágenes que parezcan girar en direcciones opuestas.

Limitaciones y posibles mejoras

A pesar de sus ventajas, la analogía con ilusiones ópticas tiene limitaciones. No puede representar el proceso de medición con precisión, ni simular la estabilidad de un estado cuántico tras un colapso. Li Causi sugiere que ciertas ilusiones híbridas, como imágenes que cambian al alejarse o acercarse, podrían ser útiles para mejorar la representación de la medición cuántica.

También reconoce que la teleportación cuántica es difícil de ilustrar con su método, ya que requiere tres partículas entrelazadas y una comunicación clásica. Sin embargo, destaca que las imágenes bistables ayudan a comprender que el teletransporte no traslada una partícula físicamente, sino su estado cuántico.