Entendiendo la física cuántica 

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Durante más de 200 años desde los días de Newton, hasta el final del siglo XIX, los físicos habían construido una visión del mundo increíblemente elaborada y básicamente mecánica. El universo entero se suponía que trabajaba como un gigantesco mecanismo de relojería, en cuyo interior se podía conocer y predecir hasta el más mínimo detalle de funcionamiento. Por medio de las leyes de la gravedad, del calor, de la luz y el magnetismo, de los gases, los fluidos y los sólidos; cada aspecto del mundo material podía ser en principio parte de un vasto mecanismo lógico. Cada causa física, generaba algún efecto predecible, cada efecto observado podía ser rastreado a una única y precisa causa. La tarea de los físicos era justamente rastrear esas articulaciones entre causa y efecto, de manera de poder hacer que el pasado fuera entendible y el futuro predecible, la acumulación del conocimiento teórico-experimental se tomaba sin discusión para brindar una visión coherente del universo con un enfoque más agudo y preciso. Cada nueva pieza de conocimiento agregaba otro engranaje al reloj del universo. Esta era la situación a final del siglo XIX, los físicos clásicos aspiraban a explicar con una claridad cada vez más precisa hasta el ultimo confín de este universo mecánico. A pesar de todo, como ya vimos había algunas nubes oscuras que aun no podían explicarse desde la visión clásica, y sobre todo cuando se quiso extrapolar los conceptos clásicos al interior del átomo, allí la debacle fue total.  Dentro de la física clásica, estamos acostumbrados a pensar acerca de las propiedades físicas de las cosas como algo intrínseco de ellas y con valores definidos, a los cuales tratamos de medir

¿Qué distingue a la física cuántica de la física clásica o newtoniana de una forma fundamental?

cuantizacionLa primera respuesta podría ser la cuantización. La energía (y más cosas, pero dejémoslo aquí), a diferencia que en la física clásica, no es continua, sino que va en paquetes de tamaño determinado, llamados cuantos. El hecho de que la naturaleza sea discreta, por sí mismo, no es una ruptura total con la física clásica. ¿Acaso la materia no está cuantizada en forma de átomos (por poner un límite del siglo XIX) o en partículas en general?

Para Planck (el padre de los cuantos), su “acto de desesperación” en la explicación de la radiación del cuerpo negro no consistió en introducir la cuantización de la energía, sino el tener que recurrir a la estadística.

La segunda respuesta que se suele esgrimir es la dualidad onda corpúsculo. La hipótesis de de Broglie es novedosa y no puede decirse que exista en física clásica. Pero tampoco supone un problema mayor para una concepción newtoniana del mundo.dualidad

De hecho desde que Newton publicase su Opticks en 1704 hasta los experimentos de Léon Foucault en 1850, la luz era un corpúsculo o una onda según conviniese y según a quien preguntases.

Un tercer argumento muy recurrido es el principio de incertidumbre. El principio de Heisenberg, al igual que la hipótesis de de Broglie, eleva ontológicamente lo que es algo que ya se maneja en la práctica en físicaprincipio-de-incertidumbre clásica. Lo que en física newtoniana es teóricamente alcanzable ahora no se puede alcanzar: establece un límite fundamental en la precisión con la que podemos conocer los valores de pares de variables incompatibles. Para una física acostumbrada a manejarse con incertidumbres en la medida, esto tampoco supone una ruptura tan radical. Es a los filósofos a los que les encanta la posibilidad de escapar al determinismo mecanicista.

Curiosamente, la distinción fundamental de la mecánica cuántica, lo que la separa de la física clásica, estriba en una característica matemática. Son las propiedades que cumplen las soluciones de las ecuaciones básicas que describen los sistemas físicos objeto de estudio las que diferencian a la física cuántica de la clásica. Esto no sería más que un artificio matemático si las predicciones no cuadrasen tan estupendamente bien con los experimentos. Otra cosa es su interpretación. Vamos a verlo.

En física cuántica la ecuación diferencial que planteamos para describir, por ejemplo, el comportamiento de un electrón alrededor del núcleo atómico tiene un nombre, ecuación de Schrödinger.

e-schrodinger

Esta es una ecuación diferencial lineal y, por tanto, matemáticamente, cualquier solución que tenga puede ser expresable como combinación lineal de otras dos (de hecho, infinitas) funciones. Esto es, a diferencia del mundo clásico donde tenemos una función solución bien definida, con valores de las variables conocibles a priori (antes de medir), en física cuántica tenemos una solución que es una combinación de funciones que representan estados, y los valores de las variables sólo serán conocidos cuando midamos, es decir, a posteriori, y de cual será ese valor sólo podemos tener una idea de la probabilidad de cada uno de los valores posibles. Este es el principio de superposición cuántico y es la verdadera madre de buena parte de las rarezas de la física cuántica.

El carácter intermedio del estado formado por la superposición por tanto se expresa por el hecho de que la probabilidad de un resultado concreto para una observación sea intermedia entre las correspondientes probabilidades de los estados originales, no por el de que el resultado mismo sea intermedio entre los correspondientes resultados de los estados originales.

Las superposiciones podrían no estar indicando realmente que las magnitudes dejen de tener valores definidos, sino que la mecánica cuántica no sería capaz de decirnos cuáles son los valores verdaderos y por eso recurre a predecir qué valores podríamos encontrar probablemente si midiésemos.

La conferencia Solvay de 1927 es conocida, entre otras cosas, por las intensas discusiones entre Einstein y Bohr. Einstein solía proponer un experimento mental que contradecía algún punto de la mecánica cuántica por la tarde, solo para que Bohr apareciese con una solución por la mañana. La conferencia terminó con una derrota del bando de Einstein que, además, se vio manifiestamente diezmado en el número de miembros.

Solvay_conference_1927

Pero aquello fue sólo una batalla para Einstein. El artículo de 1935 con Podolsky y Rosen, fue un fuerte contraataque a la línea medular de la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Un contraataque que costó más de treinta años neutralizar adecuadamente y cuyo desenlace no vieron ni Einstein (muerto en 1955) ni Bohr (en 1962).

La conclusión del artículo de Einstein, Podolsky y Rosen, esto es, que la mecánica cuántica estaba incompleta y existen variables locales ocultas pasó a ser conocida como paradoja EPR.

El realismo local, esto es, la combinación del principio de localidad (un objeto se ve influido solamente por su entorno inmediato) y la asunción realista de que todos los objetos deben objetivamente tener un valor pre-existente de cualquier posible variable objeto de medida antes de que la medida se realice, está en el corazón de la mecánica clásica, de la relatividad general y de la electrodinámica. Es el realismo local lo que Einstein, Podolsky y Rosen usan en su paradoja y lo que entra en contradicción con el entrelazamiento cuántico, y cuya salvaguarda apuntaría a la existencia de variables locales ocultas.

Y entonces llegó Bell!!!

Estaba claro que la teoría se encontraba atascada en este punto. Sólo la experimentación podía cortar este nudo gordiano. Pero, ¿habría alguna forma de comprobar experimentalmente la existencia de estas variables ocultas? Pues sí, pero habría que esperar a otro desarrollo teórico. John Bell presentó en 1964 en su artículo “Sobre la paradoja EPR” un teorema que permitía diseñar experimentos para comprobar la existencia o no de estas variables ocultas. Este teorema, habitualmente llamado la desigualdad de Bell, relativamente poco conocido, ha sido calificado como el “descubrimiento más profundo de la ciencia” (no de la física, sino de la ciencia). Los diseños experimentales basados en él apuntan a que el realismo local es violado por la mecánica cuántica.

Las implicaciones de la física cuántica afectan a los cimientos mismos de nuestro conocimiento del universo; pero de una forma tan fundamental que es mucho más que el principio de indeterminación citado habitualmente. La principal conclusión es que nos hemos de plantear si la realidad puede ser conocida (una respuesta rápida, del tipo “por supuesto que sí”, estaría más basada en prejuicios filosóficos que en hechos).

La mayor parte de los físicos, a efectos prácticos, adoptan una actitud puramente instrumentalista. Es algo que puede resultar chocante para alguien que piense que la física describe la realidad: no, la física desde este punto de vista, renuncia a describir la realidad y se contenta con describir y predecir los resultados de las mediciones.

Referencia: “Incompletitud y medida en física cuántica.”

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