Para aproximarse a la comprensión del enfoque matemático de la física cuántica es más que oportuno acudir al trabajo que un siglo antes realizó el irlandés William Rowan Hamilton (1805-1865). Nacido en Dublín, Hamilton es considerado por muchos como el matemático más notable de su época, aunque también fue físico y astrónomo. ¿Y por qué es tan importante? Hamilton reformuló la mecánica newtoniana con otra mecánica equivalente, generalizándola mediante el cálculo de variaciones y el principio de mínima acción, empleando al efecto otras variables. También es cierto que se apoyó en el trabajo previo del también polifacético Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), en mi opinión el verdadero protagonista, y cuyo trabajo queda reflejado en la que hoy se conoce como ecuación de Euler-Lagrange. La importancia de esta nueva mecánica es que, gracias a su estrategia, es capaz de unificar diferentes problemas de la física, máxime cuando se trata de sistemas complicados con muchos vínculos internos o restricciones. Aplicación especial tiene en la mecánica cuántica, cuyo operador fundamental es heredero del hamiltoniano mecánico, ya que surge de modo natural de éste.
La idea básica es la siguiente. Cuando se quiere conocer el movimiento de un cuerpo, lo que estamos acostumbrados a hacer desde la mecánica de Newton es trabajar con dos magnitudes básicas: la posición y su velocidad/aceleración; a partir de ellas, conociéndolas en diferentes puntos, se puede determinar su trayectoria. En este marco hay que conocer qué es lo que le pasa al cuerpo en cuestión, qué fuerzas le afectan para, en función de ello, determinar su comportamiento. El enfoque de Lagrange y Hamilton es un modo opuesto de describir cómo evoluciona un sistema físico. No se ocupa tanto de lo que le ocurre al sistema (fuerzas, posiciones, aceleraciones) como de describir cómo el entorno afecta a su estado energético, de modo que al sistema ‘no le queda más remedio’ que comportarse como lo hace. Para ello emplea otras variables y magnitudes, asunto en el que nos detendremos más adelante.
Por ejemplo, pensemos en una gota de agua que se desliza por un plano inclinado. Podemos tratar de identificar su posición y las fuerzas que actúan sobre ella para describir su movimiento y su trayectoria. Pero también podemos hacer otra cosa, como conocer la superficie (su geometría, su inclinación), conscientes de que la gota va a seguir siempre por la línea de máxima pendiente. En el primer caso, tratamos de saber qué le pasa a la gota de agua, mientras que en el segundo tratamos de conocer el entorno de la gota el cual propicia que ésta se comporte como lo hace. De esta manera, lo que le ocurra a la gota de agua dependerá de cómo sea la superficie por la que se ha de desplazar, la cual le forzará a desplazarse por aquí o por allá en función de su geometría, siguiendo siempre la máxima pendiente. Lo interesante del asunto es que ambos métodos coinciden en el resultado, pero cada uno llega a él por un camino muy distinto. ¿Qué ventaja posee este enfoque? Pues que para saber dónde va a parar un sistema no se necesita conocer qué es lo que le pasa en todos los puntos de su trayectoria, sino que puedo saberlo directamente en función de las magnitudes que dependen del entorno. Es algo así como lo que ocurre con el teorema del impulso-momento.
Podemos preguntarnos por qué la gota sigue la línea de máxima pendiente, algo que, aunque parece de Perogrullo, muy bien podía no ser así. ¿Por qué la gota no puede seguir otra trayectoria que no sea esa? Ello se debe a lo que se conoce como el principio de minima acción, en virtud del cual todo sistema, ante todas las posibilidades que se le presenten, deviene siempre por aquella posibilidad que minimiza su acción. Pero con esto nos quedamos un poco igual: ¿y qué es la acción? La acción es una magnitud que identifica el estado energético de un cuerpo, con un matiz: está definida de tal modo que su minimización implica que el cuerpo, o el sistema, va a adoptar aquel camino que —digamos— le cueste menos, aquél que le sea más cómodo: ante dos o más posibilidades, el sistema siempre adoptará aquél que le sea más fácil, es decir, que minimice su acción.
¿Y por qué es tan importante esto en la mecánica cuántica (y, en general, en la física contemporánea)? Pues porque lo difícil en ella es, precisamente, identificar qué es lo que les ocurre a las partículas en todo momento. Recordemos el principio de incertidumbre de Heisenberg, en virtud del cual no es posible conocer con precisión absoluta cómo y dónde se encuentra una partícula en un determinado instante. Con el enfoque de estos dos autores, esto ya no es necesario, pues podemos conocer el estado final sin saber qué ha ocurrido durante el proceso. Podemos saber dónde va a parar la gota de agua sin saber qué es lo que le ha pasado durante su camino. En el marco newtonianto esto no es posible; en el hamiltoniano sí. Claro, de nada de esto eran conscientes; en su época ¡aún no se conocía ni siquiera la existencia de los átomos! Ellos pensaban en términos mesocósmicos, es decir, los propios de la vida cotidiana, que eran los de la física de Newton; bueno, también en términos macrocósmicos considerando los movimientos planetarios, pero en absoluto con el mundo microcósmico.
Lagrange y Hamilton tenían en mente ―como no podía ser de otro modo― las situaciones de la mecánica de la época, sobre todo en la celeste, siendo especialmente eficaz en sistemas complejos en los que intervenían varios componentes con sus fuerzas asociadas, etc. El enfoque newtoniano implicaba identificar fuerzas y movimientos según sus coordenadas cartesianas; en sistemas no muy complejos, esto no es difícil de hacer; muy diferente es el caso de sistemas complejos (como puede ser un péndulo con dos grados de libertad, fuerzas externas que afectan a un sistema simple) como ocurre en no pocos casos reales. En estos casos, calcular todas las fuerzas que actúan y cómo determinan el comportamiento del sistema físico se vuelve muy dificultoso. Así, con este nuevo enfoque se visualiza muy bien cómo, en función de las características espacio-temporales y energéticas del entorno, el sistema en cuestión deviene del modo más eficaz, perdiendo el mínimo de acción. Además de ello, suprimen las fuerzas de ligadura internas o restricciones, es decir, fuerzas internas entre los elementos del sistema (como la tensión del hilo en un péndulo). De este modo se reducen las ecuaciones.
