LA ESPELUZNANTE IRREALIDAD CUÁNTICA

I hope you can accept nature as she is- absurd

Richard Feynman

 

 

Adel Khoudeir

Ilustración de Ada Peña
Ilustración de Ada Peña.

A finales del siglo XIX se llegó a pensar que se había alcanzado una madurez en las llamadas ciencias naturales, tal que todos los fenómenos físicos podían ser explicados cabalmente y sin fisuras en el contexto que hoy llamamos física clásica: en pocos años, todas las constantes físicas serán determinadas, y la única ocupación que tendremos los hombres de ciencia será medir más exactamente estas constantes», decía James Clerk Maxwell en 1871.

La física ofrecía una imagen imponente de predicción y confidencia como ilustraba el demonio de Pierre Simon Laplace, excepto por algunas «nubes» que Lord Kelvin columbraba en la entrada del siglo XX y que están muy lejos de haber asegurado a sus colegas que «ya no queda nada nuevo que descubrir en física. Todo lo que resta son medidas más y más precisas». El fin de la física, que no era el fin de la historia, fue un falso presagio y en sus mentes jamás figuró pensar que medir iba a ser un acto tan problemático en las ciencias, que iba a conllevar a uno de los cambios de paradigma más trascendentales en ellas: la revolución cuántica.

Una de esas nubes era entender el espectro en equilibrio térmico de un objeto que absorbe toda radiación que le llegue sin reflejar nada. Era la radiación de un cuerpo negro que se negaba a ser explicado, hasta que en un «acto de desesperación» Max Planck, en el Berlín de diciembre de 1900, introduce paquetes discretos de energía para describir la radiación electromagnética, inconcebibles en el contexto continuo clásico, y así poder explicar ese espectro de radiación.

Un espectro que delataba una impronta universal del universo. Este aspecto discontinuo de la luz y la radiación inició una revolución que quebró el cristal de ensueño de certidumbre que existía con el establecimiento de un nuevo escenario. Nacía la gran revolución científica del siglo XX: la inverosímil y espeluznante mecánica cuántica.

No fue un logro inmediato ni fácil la consecución de la teoría cuántica, transcurrieron 25 años, transitando por la explicación del efecto fotoeléctrico (por Albert Einstein), la estabilidad de los renovados átomos (por Niels Bohr) y otros hechos, hasta que, independientemente, Werner Heisenberg y Erwing Schrödinger comenzaron a poner orden con sus respectivas mecánica matricial y ondulatoria y ecuación de onda. Se comenzó  a entender el microcosmos.

Casi inmediatamente se logró mostrar que ambas formulaciones eran equivalentes, y luego, las relaciones de incertidumbre de Heisenberg y el rol de amplitud de probabilidad de la función de onda de Schrödinger aportado por Max Born, indicaron que ahí abajo, en el microcosmos, algo olía mal, que la física no se entendía bien, que no había sentido común en lo que se estaba logrando y que no había interpretación clásica que avalara los logros exitosos que las matrices y las funciones de onda estaban resolviendo. Hasta que llegó Niels Bohr. En septiembre de 1927, en una conferencia realizada en la ciudad de Como, Italia, Bohr cimenta lo que se conocería como la interpretación de Copenhague, al señalar que

La teoría cuántica se caracteriza por reconocer las limitaciones de las ideas de la física clásica cuando es aplicada a los fenómenos atómicos (…) Nuestra usual descripción se basa en la idea que los fenómenos pueden ser observados sin perturbarlos apreciablemente (…) Ahora, el postulado cuántico implica que cualquier observación de los fenómenos atómicos involucra una interacción con el agente que mide que no puede ser despreciado.

Y, para consolidar este punto de vista, Bohr establece su famoso principio de complementariedad, donde verdades con aspectos contradictorios y excluyentes clásicamente, resultan ser necesarios para describir el mundo cuántico, tal como expresó en ese aforismo con ribete budista: «Hay dos clases de verdades, la trivial que es fácil de negar y la profunda, donde la afirmación opuesta es también una profunda verdad».

Para Bohr los cambios continuos y discontinuos de los fenómenos físicos son complementarios en el mundo cuántico. Ahora, el problema de la medición era fundamental y hacía necesario delimitar el dominio de la física clásica con la cuántica como aspectos complementarios para el entendimiento de los fenómenos. Además, Bohr fue mucho más irreverente al decir: «No existe un mundo cuántico. Lo único que existe es una descripción mecánica cuántica abstracta. Es erróneo pensar que la labor de la física es encontrar como es la naturaleza, la física trata con lo que podemos decir de ella». La realidad de una naturaleza independiente es cuestionada y más bien la realidad pareciera manifestarse al medirla.

La posición filosófica de Bohr hacía recordar la cita de su contemporáneo filósofo y matemático Ludwig Wittgenstein: «donde no puedes hablar, entonces mantente silente». Esto sonó muy restrictivo, muy difícil de asimilar por los físicos con una tradición clásica, y entre ellos Albert Einstein, Erwing Schrödindger y Luis de Broglie, quienes se encontraron con Bohr, Heisenberg, Pauli, Dirac, Born, et al., en octubre de 1927 en la ciudad de Bruselas, unas semanas después de la conferencia en Como.

El encuentro fue el V Congreso Solvay, dedicado exclusivamente a la entonces incipiente mecánica cuántica, y volvieron a encontrarse tres años después en el VI Congreso Solvay. Tras los famosos debates que se dieron, Bohr refutó todas las objeciones de Einstein y la interpretación de Copenhague se consagró como lo más apropiado al exitoso esquema desarrollado entre los años 1925 a 1927 de la mecánica cuántica. Desde entonces han aparecido otras interpretaciones de la mecánica cuántica y actualmente pareciera que hay cierto consenso (o disidencia) en cambiar la interpretación de Copenhague.

Se llegó a consolidar una teoría con una estructura matemática consistente y coherente. Pero rara, extraña y misteriosa. Sí, muy rara. Para describir la física se necesitó un espacio que no es nuestro acostumbrado espacio de Euclides de  3 dimensiones (o de Minkowski de 4). La física cuántica ocurre en un espacio cuya dimensión depende de lo que se quiere medir. Sí, así de sorprendente.

Puede ser finita (el manido gato de Schrödinger es bidimensional, por ejemplo) o puede ser de dimensión infinita y continua si queremos medir la posición o la velocidad de un sistema, o puede ser infinita y discreta como cuando se quiere medir la energía. Lo sorprendente es que ese espacio, llamado espacio de Hilbert, permite no solamente coordenadas reales sino complejas e incluso hasta objetos matemáticos más exóticos como los cuaterniones, y en ese espacio cohabitan unas flechas (vectores) que nos indican lo que se llama el estado de un sistema cuántico cuya magnitud al cuadrado proporciona la probabilidad de encontrar cierto valor de algo que se quiere medir.

Además, lo que se quiere medir es representado por  algo  muy especial, un operador, cuyos «valores» son números reales: coordenadas, velocidades, energías y en particular una propiedad cuántica conocida como spin. Mientras que la dinámica, la manera cómo cambian en el tiempo los estados cuánticos, es proporcionada por la ecuación de Schrödinger, que determina de manera única los estados cuánticos en cualquier instante de tiempo. Es decir, que la mecánica cuántica tiene la propiedad de determinar exactamente, y siempre, las probabilidades que se quieran medir.

¡Un claro oxímoron, ese determinismo probabilístico de la mecánica cuántica!

En una teoría clásica, por ejemplo, el electromagnetismo, todo está en el contexto de sus ecuaciones, las de Maxwell, las cuales permiten una interpretación unívoca sin recurrir a nada más que a esas ecuaciones. En cambio, la ecuación de Schrödinger no dice absolutamente nada sobre la medición por parte de los aparatos y de sus observadores. No hay indicio alguno donde el mundo atómico se separa del clásico en la ecuación de Schrödinger y, a pesar de esa rareza, no ha habido óbices para el asombroso y exitoso despliegue teórico y técnico que la mecánica cuántica ha desarrollado.

Una teoría exótica y controversial que triunfa

La física atómica, molecular y nuclear, la física del estado sólido, las teorías de campo, la superconductividad, los semiconductores y el transistor, la superfluidez, el láser, las imágenes de resonancia magnética, etc., no hubiesen sido posible sin la mecánica cuántica, y hasta en la biología la cuántica se hace útil. Se estima que casi el 50% del producto interno bruto mundial está basado en invenciones con sustento cuántico. Sin cuántica no hay internet. Los problemas interpretativos fueron obviados ante el avasallante poder explicativo y tecnológico de la mecánica cuántica y no preocuparse por esto quedó plasmado cuando Paul Dirac, en la introducción del primer gran libro sobre cuántica, señaló: «el principal objeto de la ciencia física no es proporcionar imágenes, sino la formulación de leyes que rigen los fenómenos y la aplicación de estas leyes al descubrimiento de nuevos fenómenos. Si una imagen existe mucho mejor, pero si existe o no, es un problema de importancia secundaria».

Eventualmente, Albert Einstein admitió que la mecánica cuántica era coherente y consistente pero nunca consideró que la mecánica cuántica sería la verdad última. Su rencilla con la mecánica cuántica no era con el carácter probabilístico de ésta. Recordemos que Einstein fue el primero en percatarse de la inevitable esencia probabilística cuando en 1917 introduce la noción de emisión espontánea de radiación para explicar las transiciones.

Era muy consciente de lo azaroso del mundo cuántico, y aunque su manida frase que «Dios no juega a los dados» pareciera reflejar el más serio de su disgusto por la mecánica cuántica, para Einstein el problema yacía en que «la física debe representar (…) la realidad en el tiempo y en el espacio» y la realidad para Einstein debe existir independientemente si se mide o no la naturaleza, es decir, no estar constreñida por ninguna medición ni observación.

En 1935, junto con Boris Podolski y Nathan Rosen, Einstein abandona el silencio y contraataca con la publicación del insurgente artículo ¿Puede la Descripción Mecanico-Cuantica de la Realidad Física ser Considerada Completa?  En él, Einstein, Podolsky y Rosen (en lo sucesivo EPR), implementaron unos criterios de realidad y localidad; y, usando el formalismo de la mecánica cuántica, muestran que ésta no se ajustaba a una razonable noción de completitud que ellos consideraban. En consecuencia, concluyen que la función de onda cuántica estaba inhabilitada para proporcionar una descripción completa del universo.

Niels Bohr respondió alegando que las premisas de EPR no eran las adecuadas en el mundo cuántico. Es en este artículo donde EPR introducen por primera vez la noción de entrelazamiento (o enmarañamiento) como Schrödinger bautizó: Verschränkung en alemán, entanglement en inglés. Es la idea que dos o más entes bien separados estén íntimamente correlacionados bajo las reglas cuánticas, una idea sin precedente en la física clásica y que para Einstein era una espeluznante idea que le molestaba. La cuestión interpretativa de la mecánica cuántica permaneció abierta desde entonces, pero sin muchos avances.

Paul Dirac había señalado después del V Solvay que «el problema de la interpretación resultó bastante más difícil que trabajar solamente con las ecuaciones», y recordemos lo que dijo Richard Feynman (quien implementó las integrales de camino para reformular la mecánica cuántica) en una conferencia en 1964: «Pienso, y lo digo con propiedad, que nadie entiende la mecánica cuántica». A pesar de esto, la mecánica cuántica ha sido la teoría más exitosa que ha existido y no hay ningún hecho experimental que contradiga su formalismo y predicciones. Por ahora.

Pero la vida continúa y en la década de los cincuenta del siglo pasado aparecen los nuevos visos de insurgencia. Por un lado, Hugh Everett en 1957, entonces un estudiante del afamado y prolijo físico John Archibald Wheeler (también tutor de Feynman y muchos otros destacados físicos), desarrolla una formulación alternativa contraria a la de Copenhague. El artículo publicado por Everett se titulaba Relative State Formulation of Quantum Mechanics y su propuesta es mejor conocida como la de «muchos mundos».

Everett basó su formulación en la existencia de una función de onda cuántica universal que incluye todas las alternativas posibles en una medición. Una medición escogería un «mundo» sin destruir todos los demás mundos posibles que se ramifican eternamente como recordando a Jorge Luis Borges. Es el tipo de interpretación que gusta a muchos cosmólogos, puesto que si el universo es cuántico, la formulación de Everett permitiría justificar las mediciones dentro del universo sin recurrir a observadores externos que la interpretación de Copenhague exige.

El otro foco disruptivo surgió con el «camarada» David Bohm quien retomó una idea presentada por de Broglie en el V Solvay, y obviamente ignorada entonces, para formular una nueva teoría que tratara de dar un carácter determinista al microcosmo. Bohm reintroduce la idea de variables ocultas, entelequia que fue defenestrada matemáticamente por John van Neumann en la década de los 30, y que conllevan a una ecuación no lineal, en abierto enfrentamiento con la linealidad de la ecuación de Schrödinger donde la superposición de dos, o más, de sus soluciones también es solución. Este principio de  superposición caracteriza lo que se denomina la coherencia de un estado cuántico. El objetivo principal de Bohm fue impulsar las variables ocultas usando las premisas de EPR.

Pero plantearse problemas interpretativos seguía relegado a un segundo plano hasta que en 1964 aparece publicado en la revista Physics, poco conocida y de efímera existencia, un artículo intitulado «On the Einstein Podolski Rosen paradox». Su autor, un físico de partículas que trabajaba diseñando aceleradores en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por las siglas en francés de Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) y que estando de sabático publica ese artículo. Su nombre, John Bell, quien haría sonar de nuevo las campanas. En ese artículo, Bell deduce una desigualdad que debe cumplirse si los requisitos de EPR son consistentes con la experiencia, además, señala que se «requiere poca imaginación para las mediciones».

John Bell estaba llevando una cuestión filosófica, la de la naturaleza de la realidad, al terreno de la física experimental. Y en 1972 John Clauser y Stuart Freedman lograron diseñar y ejecutar una experiencia que mostraba que la desigualdad de Bell era quebrantada. La mecánica cuántica era revalidada. John Bell esperaba que no, su motivación personal era más cercana al punto de vista que reafirmaba la localidad de Einstein. Pero la naturaleza habló y desde entonces se han realizado muchos experimentos, en especial los de Alain Aspect, Anton Zellinger y muchos otros, que confirman una y otra vez el desgarre de la desigualdad de Bell. En consecuencia, la mecánica cuántica invalida la existencia de variables ocultas que podrían dar una versión de realismo local a la tesis de EPR.

Por otro parte, un viraje interpretativo importante ocurrió en la década de los setenta cuando Dieter Zeh, Erich Joos y Wojtzek Zurek (otro discípulo de Wheeler) introducen la noción de incoherencia (decoherence) para delimitar el límite entre los mundos clásico y cuántico evitando la interpretación de Copenhague. El quid del asunto es que un estado coherente cuántico siempre describe un sistema aislado, pero si el sistema es constantemente perturbado por fotones, electrones y demás pléyades de partículas y objetos que constituyen el ambiente externo, entonces las superposiciones cuánticas se destruyen y aparecería el mundo clásico sin ningún vestigio de coherencia cuántica. Con esta interpretación no se necesita un observador humano para que se dé la incoherencia y así evitar juicios innecesarios que conducen a falsas y dañinas especulaciones populares sobre la mecánica cuántica.

Un árbol que cae en medio de un gran bosque existirá aunque nadie haya escuchado su desplome.

Una interpretación latinoamericana de la Mecánica Cuántica

Y entramos en un nuevo siglo, en un nuevo milenio donde las aguas se agitaron y surgieron disidencias inconcebibles. Steven Weinberg, que en su excelente libro Dreams of a Final Theory decía que «la mecánica cuántica puede sobrevivir no simplemente como una aproximación a una verdad profunda (…) sino como un aspecto válido de la teoría final», ahora reclama una renovación de los fundamentos de la mecánica cuántica. Así mismo las voces de Gerard t´Hooft, Roger Penrose y muchos otros cuestionan la ortodoxia de Copenhague.

Y Latinoamérica no queda rezagada en esta onda. Tenemos que Rodolfo Gambini y Jorge Pullin han ofrecido una interpretación (la de Montevideo) en la línea de la incoherencia y en el contexto de la cuantización de la indócil gravitación donde la noción de tiempo es sutil. El tiempo, el implacable, nos dirá en qué deparará esto porque pareciera que muchas cosas nuevas ocurrirán. Desarrollos de tecnologías como el teletransporte, la criptografía y la computación cuántica, parecen estar pendientes de cómo se entenderá la mecánica cuántica, y quizás, además, nos diga algo más sobre temas muy lejanos a la rígida naturaleza material como la conciencia y el libre albedrío para poder entender libremente la mecánica cuántica.

REFERENCIAS

  1. Bell, J.S. (2004). Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics. Cambridge University Press.
  2. Bernstein, J. (1991). Quantum Profiles. McGraw-Hill.
  3. Gambini, R. y Pullin, J. (2009). The Montevideo interpretation of quantum mechanics: Frequently asked questions. Journal of Physics: Conference Series, 174. doi:10.1088/1742-6596/174/1/012003
  4. Jammer, M. (1966). The Conceptual Development of Quantum Mechanics. Mechanics. McGraw-Hill.
  5. Kumar, M. (2008). Quantum. Kairós.
  6. Lindley, D. (2007). Uncertainty. Anchor Books.
  7. Wheeler, J.A. y Zurek, W.H. (1983). Quantum Theory and Measurement. Princeton University Press.

 

 

Adel Khoudeir es Profesor Titular de la Facultad de Ciencias y del Postgrado de Física Fundamental de la Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela; Lic. en Física ( Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela); Doctor en Física (Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela).

 

 

 

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5 Comentarios

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Marilúresponder
09/10/2020 en 2:01 am

Qué bueno tu comentario Josè, entendí un poco mejor, que no es poco

Kernakisresponder
08/10/2020 en 12:45 am

Sabiduría, rigor y asombro a toda prueba!!

washingtoncubacastroresponder
07/10/2020 en 4:14 pm

En qué nivel del establecimiento de la física se da el entendimiento entre «físico s cuántico s»…?

Jaime Maldonadoresponder
07/10/2020 en 11:36 am

Ell tema que trata este artículo es real.ente dificil, es muy complejo, sinceramente admiro y envidio a las mentes que logran entender y discutir la física cuántica y otro temas… Que bueno sería si estás mentes encontrarán una forma de traducir sus escritos a una lengua popular que pueda ser comprendido hasta por un analfabeta.

Joséresponder
06/10/2020 en 8:21 pm

Todo lo analizado hace suponer la existencia de otras dimensiones. Véase por ejemplo el «salto» de los electrones en sus «órbitas», la pérdida o ganancia de energía cuando se produce ese fenómeno, y la emisión de fotones; no se trata entonces que en el mundo quántico y su correspondiente sub, resulte una posibilidad de ser y no ser al mismo tiempo, lo que se trata es de un estar o no estar en la misma dimensión, sólo que al tratarse de subpartículas, la distancia temporal es, quizás, inmedible, lo que da una apariencia de intermitencia. Piénselo en las películas que avanzan en 30 o 60 cuadros por segundo (CPS), lo que el cerebro toma y concluye como movimiento continuo, mientras que a menos CPS ya se comienza a observar no una ralentización, sino, paradójicamente, un aumento de velocidad y una intermitencia. Todo lo contrario pasa cuando se aumentan los CPS se nota, también paradójicamente un ralentización en el movimiento. Obsérvese el film de una acción en cámara lenta, que la toma del mismo se hace a más cuadros por segundo. Quizás ello expliqué que, en un viaje a muy alta velocidad, se note una ralentización del tiempo. lo que hace evidenciar que a una velocidad cercana a la de la luz, todo parece paralizarse. En conclusión velocidad, masa y energía, no irrespetan las leyes de la física al grado que las cosas sean y no sean al mismo tiempo, si las respetan, sólo que son otras leyes no no tomadas en cuenta, existentes en otra escala y dimensiones, y una de ellas se refiere especialmente a la velocidad de estado interdimensional.

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