¿Quién teme a la FÍSICA CUÁNTICA?

Por: Rafael Alemañ Berenguer (*)

Por Rafael Alemañ Berenguer (*)

Al hojear cualquier texto científico, no solemos dudar que el autor, si es competente, sepa con toda claridad de lo que está hablando. Los libros de Zoología se refieren a los animales, los de Química a los átomos y moléculas, los de Geología a rocas y minerales, los de Botánica a las plantas, y los de Electromagnetismo a cargas, corrientes, campos de fuerzas y ondas electromagnéticas. Así ocurre casi siempre, con una notable excepción, como es el caso de la Teoría Cuántica. La mayoría de los libros sobre esta parcela de la Física, o bien se limitan a exponer el formalismo matemático correspondiente, dando por sentado que el lector sabe bien de qué se habla, o bien se pierden en digresiones filosóficas poco hilvanadas sobre la naturaleza final de los objetos cuánticos.

 

     Baste el ejemplo de la encuesta publicada a comienzos de 2017 por la revista New Scientist acerca de la interpretación más adecuada de la teoría cuántica(1). De los 149 participantes, el 39 % suscribía la tradicionalmente llamada “interpretación de Copenhague” −que después se comentará– el 25 % prefería otras posibilidades y un considerable 36 % no se pronunciaba al respecto, sin contar que un apreciable número de los encuestados ni siquiera estaban seguros de entender la opción que ellos mismos defendían. Teniendo presente que esta parte de la ciencia nació y se desarrolló en el primer tercio del siglo XX, resulta asombroso que todavía hoy sigan perviviendo tales debates.

 

Albert Einstein junto a Niels Bohr

     ¿Cuál es el motivo de esta situación? ¿Cómo es posible que los expertos en una disciplina científica reconozcan que no saben realmente de qué se ocupa la ciencia que cultivan? La respuesta reside en una mezcla de malentendidos conceptuales, sometimiento acrítico a cierta tradición histórica y la visión sesgada de las relaciones entre ciencia y filosofía que caracteriza buena parte del pensamiento científico tras la II Guerra Mundial. Este último aspecto se resume en el lema(2) “¡Calla y calcula!” que pretendía silenciar cualquier cuestionamiento de las bases teóricas de la naciente física de partículas en la posguerra mundial. Sacrificando la claridad conceptual a las exigencias prácticas de los problemas concretos –especialmente con el acicate de la Guerra Fría– parecía liberar a los investigadores de la pesada carga de las discusiones metafísicas tan habituales a la hora de interpretar sus resultados.

Werner Heisenberg y Erwin Schroedinger

     Y así se siguió avanzando, a menudo sin conocer muy bien la solidez del terreno que se pisaba. Pronto se percibió la diferencia entre los físicos educados en el estilo intelectual que podríamos llamar “fundacional” (Einstein, Schroedinger, De Broglie, Eddington, Dirac) preocupados por cuestiones tan profundas como la cuantización, el espacio-tiempo o la causalidad, frente a quienes cabría denominar “pragmáticos” (Bohr, Heisenberg, Born, Pauli, Jordan, Wigner) en cuya opinión tales reflexiones resultaban estériles ya que la propia teoría cuántica ofrecía respuestas sin alternativa posible. De ellos surgió una corriente de investigadores principalmente interesados en aplicar las ecuaciones cuánticas al más amplio rango de fenómenos, acumular la mayor cantidad de datos empíricos y aumentar la potencia de computación.
     El vertiginoso ritmo al que se descubrían nuevas partículas a mediados del siglo XX, junto con las ingentes sumas de dinero dedicadas a los aceleradores de partículas y a la física nuclear, aseguraron el éxito social y profesional de los pragmáticos a la vez que garantizaban la expansión de su credo en las nuevas hornadas de estudiantes. Sólo cuando la antaño irrefrenable Física Cuántica entró en una fase de estancamiento a finales del pasado siglo, carente de nuevos resultados experimentales, el viento volvió a soplar a favor de quienes ponían en cuestión la idoneidad de sus cimientos.

CONOCER LA REALIDAD
     Desde que la ciencia moderna existe como tal, su principal empeño ha sido conocer la realidad con el mayor grado de certeza que las capacidades humanas permitan. Nunca se dudó de la dificultad de alcanzar ese objetivo, pero tampoco se cuestionó la posibilidad de lograrlo aunque fuese paulatinamente. Esa convicción de base se quebró con el advenimiento de la física cuántica. Es cierto que ya en el siglo IV a.C. el filósofo griego Gorgias afirmaba que nada existe y muchos otros filósofos le siguieron a lo largo de los años, si bien pocos autores les prestaban atención fuera de círculos académicos muy reducidos y ninguno en la comunidad científica.
     La situación cambió cuando algunos de los más influyentes fundadores de la teoría cuántica se pronunciaron públicamente en contra de la realidad objetiva de la naturaleza a tenor de sus particulares interpretaciones de la nueva física nacida a partir de 1900. Es difícil concretar cuáles fueron las posiciones filosóficas de los teóricos cuánticos que podríamos denominar “irrealistas”, porque sus opiniones fueron matizándose con el tiempo. No obstante, todas ellas giraban en torno a unos puntos básicos que resumiríamos así:

(1º) El experimentador, con su acto de observación o medición, crea de algún modo el fenómeno que observa, provocando la existencia de las propiedades que está midiendo.

(2º) En consecuencia, el formalismo matemático de la teoría cuántica no representa la realidad objetiva del mundo físico, sino tan solo nuestro conocimiento subjetivo de él.

Como vemos, estas dos premisas contienen una extraña amalgama de idealismo, positivismo, operacionalismo, instrumentalismo, subjetivismo, e incluso ciertas pizcas de animismo. Por el contrario, el realismo científico es una doctrina filosófica que sostiene dos enunciados completamente opuestos:

(1º) La naturaleza existe objetivamente con independencia del observador

(2º) Ese mundo natural puede ser conocido racionalmente aunque siempre de manera parcial, inexacta y mejorable

     En ambos casos, la primera afirmación –de tipo ontológico− se refiere a lo que existe, y la segunda −gnoseológica− concierne a nuestra manera de conocer aquello que existe. Y es de notar que las dos premisas del irrealismo constituyen el núcleo duro de la “interpretación de Copenhague” antes mencionada, contra la que debe batirse el realismo científico. Esa interpretación mantiene que la teoría cuántica no se ocupa de objetos naturales sino de observaciones, ya que las propiedades de los micro-objetos son efecto de las observaciones.
     A su vez, las observaciones dependen de la conciencia del observador ,que es algo mental y –supuestamente– al margen de las leyes naturales. Por eso las teorías científicas se consideran en esta interpretación como meras herramientas de cálculo, “cajas negras” en las que se introducen datos iniciales por un lado y se obtienen nuevas predicciones experimentales por el otro. Al final, aunque intenten disfrazarlo, estos autores habían vuelto a la declaración del filósofo irlandés George Berkeley (1685 − 1753) para quien las cosas solo existían si eran percibidas. Pero, ¿es esta historia tal como nos la cuentan la gran mayoría de los libros?

LA «TRASTIENDA» DE LA FÍSICA CUÁNTICA
     La mejor opción para resolver la controversia, sin duda, pasa por acudir a la propia teoría cuántica y analizar sus términos. Cuando así lo hacemos, es fácil constatar que en el formalismo matemático estricto de la teoría –sin añadidos espurios– no aparece la menor mención a “observadores” o “actos de medición”. Sí encontraremos variables de campo, de espín, de energía, de momento angular y lineal, pero nada relativo a aparatos de medida, diseños experimentales o las operaciones de los observadores que los usen.
     Así ocurre porque la teoría cuántica, aunque pueda sorprender a muchos, es tan genuinamente física como cualquier otra. Esto significa que sus referentes son únicamente objetos y sistemas físicos, por muy extravagantes que sus propiedades puedan parecernos. Cuestión aparte es que para comprobar experimentalmente las predicciones cuánticas, tengamos que recurrir a teorías específicas sobre los aparatos de medida adecuados en cada situación experimental. Los irrealistas confunden la existencia y propiedades de los objetos cuánticos, representadas en la teoría, con el modo en que las conocemos y contrastamos a través de la experimentación.

El mundo cuántico es radicalmente distinto del clásico pero no por ello menos real

     Por eso las teorías no son meras herramientas intelectuales para computar resultados numéricos que luego comparar con los datos empíricos. Más bien, son sistemas hipotético-deductivos, construcciones lógicas de alto nivel que representan la realidad simbólicamente más que pictóricamente (los electrones, por ejemplo, no son minúsculas bolitas imantadas girando sobre sí mismas).
     Todas las teorías físicas se refieren a algo objetivamente existente con independencia de los experimentos diseñados para corroborarlas. No vale decir que las variables de las teorías físicas adquieren su significado cuando describimos las operaciones de laboratorio para medirlas(3), entre otras causas porque nadie puede diseñar un experimento para medir algo cuyo significado no entiende previamente.
     La explicación histórica de este embrollo se comprende mejor recordando que a comienzos del siglo XX, coincidiendo con los primeros balbuceos de la física cuántica, la doctrina dominante en filosofía de la ciencia era el neopositivismo del llamado “Círculo de Viena”, un grupo de estudiosos que consideraban las teorías tan solo como un instrumento útil para contener y organizar los datos experimentales. Con la llegada del nazismo a Austria el Circulo de Viena se disolvió, pero su radical postura antimetafísica arraigó como filosofía oficial –o al menos oficiosa– de la física cuántica.

LA TEORÍA CUÁNTICA Y LA REALIDAD OBJETIVA
     Pese a que hay quien pueda sentirse escandalizado ante una afirmación como esta, lo cierto es que la teoría cuántica describe y representa la realidad del mundo físico con tanta objetividad –y mucha más precisión– que todas sus predecesoras. Los irrealistas suelen responder con una frase convertida, a fuerza de repetirse, en otro lema engañoso: “Cualquier observación perturba el sistema observado”. Este efecto perturbativo del experimentador se conoce al menos desde los tiempos de Galileo y no es novedoso. Al introducir un termómetro en un líquido, digamos, la temperatura original del líquido varía un poco a causa de la diferencia con la temperatura del propio termómetro. Por eso las técnicas de medición siempre tratan de minimizar la influencia del experimentador, y se aplican además las teorías matemáticas de estimación de errores desarrolladas en los últimos cien años.
     La novedad consiste en sostener que la influencia del observador se vuelve decisiva en el mundo cuántico debido al diminuto tamaño de los objetos observados. Para detectar un electrón debemos bombardearlo con un haz de fotones −por ejemplo− lo que perturba su movimiento de modo incontrolable, de modo que tal medición se hace imposible. De ello, en una sorprendente pirueta deductiva, se infiere que no hay medidas objetivas, todas las propiedades de los objetos cuánticos se deben a nuestra subjetividad y lo único que existe –si acaso– es la conciencia del observador.
     En primer lugar, la argumentación es auto-contradictoria porque si el fotón perturba el movimiento original del electrón será porque tanto el fotón como el electrón existen previamente. Y en segundo lugar, se trata de un argumento erróneo basado en el ejemplo que utilizó el Werner Heisenberg en el artículo de 1927 donde exponía por primera vez sus famosas desigualdades. El hecho de que tales desigualdades –de importancia fundamental en la microfísica– sigan denominándose mayoritariamente “principio de incertidumbre o indeterminación”, demuestra el punto hasta el cual el credo neopositivista penetró en el núcleo de las interpretaciones.

     Porque las desigualdades de Heisenberg no se refieren a limitaciones técnicas, actuación de observadores o aparatos de medición. En realidad, expresan el grado de incompatibilidad en la aplicación simultánea de ciertos conceptos clásicos, como la posición y la velocidad, a unos micro-objetos que carecen realmente de ellos. Un examen de los supuestos básicos de la teoría cuántica revela que no contiene los conceptos clásicos de onda y corpúsculo. Por chocante que nos parezca, los objetos cuánticos –o cuantones– no tienen forma o tamaño, atributos típicos de los objetos macroscópicos que se nos antojan inseparables de cualquier realidad física. Y no debería extrañarnos porque la teoría cuántica nació para ocuparse de datos espectroscópicos y emisiones de radiación, sin comprometerse con un tipo concreto de constituyentes de la materia(4).
     Otro de los pilares de la visión mística y mistérica del mundo cuántico surge de la paradoja EPR, un experimento mental propuesto por Einstein(5) y un par de colaboradores suyos en 1935 con el ánimo de refutar algunos postulados básicos de la física cuántica. Una versión concreta de esta presunta paradoja fue puesta a prueba experimentalmente por primera vez en 1982 con un veredicto contrario a las expectativas de Einstein. Cuando se tomaba un par de cuantones con un origen común y se realizaba una medida sobre unos de ellos, el otro modificaba su estado para correlacionarse con el resultado de la medida efectuada sobre el primero, y ello ocurría independientemente de la distancia que los separase(6). Este nuevo comportamiento, absolutamente ajeno al contexto clásico, se denominó “entrelazamiento cuántico”.

El entrelazamiento cuántico implica una correlación de propiedades independiente de la distancia

     Resulta difícil dar cuenta del enorme caudal de delirios pseudocientíficos y falacias interpretativas que este resultado alentó. Junto con los charlatanes criptófilos de siempre, también la literatura fantástica de toda laya apeló al entrelazamiento cuántico como soporte de verosimilitud para los consabidos viajes en el tiempo, teletransportes instantáneos y movimientos más rápidos que la luz. Ficciones divertidas aparte, en las bien demostradas correlaciones EPR no se transmiten señales físicas en modo alguno, pues no hay propagación de energía o información entre ambos cuantones correlacionados. Ese es el motivo de que no pueda utilizarse este llamativo fenómeno para comunicarnos con alguien a velocidad superlumínica.

¿ES COMPRENSIBLE LA FISICA CUÁNTICA?
     A la luz de lo expuesto en los apartados anteriores, estamos ahora en mejores condiciones para replicar bravuconadas como la del físico D. Mermin sobre la inexistencia de la Luna cuando nadie la mira. Como buen prestidigitador intelectual, Mermin toma el viejo idealismo absoluto de Berkeley, añade una buena capa de maquillaje cuántico y lo considera un ingrediente ineludible de la microfísica tal como él la entiende. A continuación, aceptando que todos los cuerpos macroscópicos se componen de cuantones, da por descontado que también la Luna –por ejemplo– debe estar sometida a esa dependencia del observador que Mermin atribuye falsamente a la microfísica(7). Por tanto, la Luna no existe si nadie la mira, se nos dice con aire de presunta trascendencia, solo para encubrir una cadena de falacias a cual más grosera.
     En los preámbulos de muchos textos tampoco faltan las sentencias intimidantes, como “Nadie entiende de veras la mecánica cuántica”, “Lo único comprensible de la física cuántica es que resulta incomprensible”, u otros retruécanos semejantes. Y siendo verdad que esta teoría nos obliga a abandonar conceptos tan arraigados en el mundo macroscópico como los de forma, tamaño o posición, no es menos cierto que el papel de los símbolos matemáticos es idéntico en la física clásica y en la cuántica. En ambos casos, se trata de conceptos formales cuyos referentes son las propiedades de los objetos físicos que componen el mundo natural.

Los cuantones exhiben comportamientos propios de ondas o de corpúsculos según el caso

     Es un error muy común argüir que en el mundo cuántico todo ocurre al azar y por ello queda al margen de cualquier posible comprensión. La teoría cuántica no destierra la causalidad del corazón de la física. Únicamente debemos renunciar al determinismo clásico, pero no a la existencia de leyes naturales bien definidas (ecuaciones de evolución, como la de Schröedinger, o teoremas de conservación, como el de la energía), que obviamente también se dan en el mundo cuántico. El hecho de que las propiedades cuánticas no adquieran valores numéricos aquilatados –como en la física clásica− sino distribuciones de valores, no disminuye su carácter de propiedades reales y objetivas(8).
     Uno de los principales escollos ocultos en la base de todas estas polémicas, parece ser la convicción implícita en muchos autores de que la teoría fundamental de la materia ha de ser necesariamente alguna clase de mecánica de partículas, al estilo newtoniano aunque más sofisticada. Sin embargo, la teoría cuántica no es tal; de hecho, en rigor ni siquiera debe denominarse “mecánica” porque no define posiciones ni trayectorias. En el viejo debate científico-filosófico entre Bohr y Einstein, el sabio danés se equivocó al rechazar la causalidad en el mundo cuántico mientras que el genio alemán falló al creer que el realismo era insostenible dentro de la física cuántica(9).
     Lejos de un sensacionalismo barato, los verdaderos enigmas de la teoría cuántica no se encuentran en el subjetivismo idealista y desbarrado con que se la interpreta, sino en otros puntos candentes menos estrafalarios y mucho más profundos. La repetidísima paradoja del “gato de Schröedinger” revela que carecemos de un criterio definido para delimitar la transición desde el mundo cuántico al clásico(10). En otras palabras, no sabemos cuál es la frontera entre ambos, ni cómo las leyes de estos dos niveles de la realidad se funden armoniosamente entre sí.

     Otro gran desafío proviene de la dificultad de encajar en un armazón cuántico la visión del universo que nos ofrece la Relatividad Especial de Einstein. La respuesta en boga es que esa unión se produjo ya gracias a la electrodinámica cuántica, o mejor dicho a la teoría cuántica de campos. Pero eso es una verdad a medias y apunta al corazón de un problema crucial al que apenas se presta atención tanto en los textos académicos como en los divulgativos. Resulta que la teoría cuántica de campos respeta –al menos formalmente– el postulado relativista que prohíbe velocidades físicas superiores a la de la luz, pero no queda tan claro que cumpla la segunda premisa de la relatividad, que establece la igualdad de las leyes físicas para todos los sistemas de referencia inerciales.
     Ya que, según la Relatividad. el tiempo depende del estado de movimiento de cada observador, en general ocurrirá que el instante en que se mida uno de los dos cuantones de la pareja sea distinto en diferentes sistemas de referencia. Como el entrelazamiento cuántico es independiente de la distancia, puede probarse que esa diferencia entre observadores en movimiento relativo inercial conllevará descripciones del universo mutuamente incompatibles(11). No obstante, es muy difícil encontrar siquiera una mención de este problema en los textos al uso.
     Finalmente, no cabe olvidar que quizás el reto supremo al que se enfrenta la física es la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza en un marco conceptual compatible a la vez con los requisitos cuánticos y con la teoría relativista de la gravitación, la relatividad general, también debida a Einstein. Posiblemente se trate de la empresa teórica más exigente de la historia de la ciencia. Buena prueba de ello es que llevamos ya un siglo de intentos sin obtener resultados definitivos(12). Ignoramos si la llave de esta incógnita se hallará en supercuerdas, membranas multidimensionales o cualquier otro objeto extremadamente exótico, pero lo cierto es que, en todo caso, la realidad seguirá ahí afuera desafiando con insolencia nuestros desvelos por comprenderla.


(*)Rafael Andrés Alemañ Berenguer es químico, físico e investigador colaborador de la Universidad de Alicante. Es autor de libros como “La Naturaleza imaginada: ¿es matemático el mundo?”,“Evolución o diseño”, “El paradigma Einstein”, etc.

 

NOTAS

1 https://www.newscientist.com/article/mg23331074-600-physicists-cant-agree-on-what-the-quantum-world-looks-like/?cmpid=NLC%7CNSNS%7C2017-1201-newGLOBAL&utm_medium=NLC&utm_source=NSNS
2 La frase se atribuye erróneamente al físico estadounidense Richard Feynman (1918 – 1988) cuando en realidad la pronunció su compatriota David Mermin (1935-)
3 Esa profesión de fe operacionalista fue manifestada en una ocasión por Stephen Hawking, lo cual resulta aún más sorprendente. Hawking adquirió su bien merecida fama por estudiar objetos –como los agujeros negros– que difícilmente pueden manipularse en un laboratorio.
4 Para una discusión amplia y rigurosa de las desigualdades de Heisenberg y de las correlaciones EPR, véanse Alemañ (2009, 2010a, 2010b, 2010c, 2011a, 2014) y Bunge (1967a, 1967b, 1971, 1982, 1983)
5 Actualmente los refinamientos técnicos en esta clase de montajes de laboratorio han dado lugar a los experimentos GHZ, si bien el resultado es el mismo.
6 Más sobre ello en Penrose (1991, 1999)
7 Aquí Mermin comete el error de suponer que un sistema (la Luna) debe necesariamente obedecer las mismas leyes que sus constituyentes (las partículas subatómicas que la componen). Que no siempre es así, lo demuestra el hecho palmario de que los objetos macroscópicos siguen las bien establecidas leyes de la física clásica.
8 Alemañ (2014)
9 Bunge (1983)
10 Alemañ (2005)
11 Alemañ (2011a), Penrose (1991)
12 Alemañ (2011a, 2011b)

BIBLIOGRAFÍA

Alemañ Berenguer, R.A., Física para todos, Equipo Sirius (Madrid), 2005.
Alemañ Berenguer, R.A. (2009). «¿Probabilidad cuántica o espacio-tiempo relativista?», Revista Colombiana de Filosofía de la Ciencia, vol. IX, nº 19, pp. 23 – 41.
Alemañ, R. (2010a) «Los conceptos de espacio y tiempo como variables dinámicas en la teoría cuántica no relativista», Latin-American Journal of Physics Education, vol. 4 (nº 2), 357-366.
Alemañ, R. (2010b), «Incertidumbre, predictibilidad e indeterminación en la ciencia física», Themata (revista de filosofía de la Universidad de Sevilla), nº 43, año 2010, pp. 27-40.
Alemañ, R. (2010c), «Epistemologic controversy on quantum operators», Principia. International Journal of Epistemology. 14 (2), 241 – 253.
Alemañ Berenguer, R.A., El desafío de Einstein (Historia de las Teorías de Unificación en el Siglo XX), vol. I: En busca de la unificación, Editorial URSS (Moscú), 2011a
Alemañ Berenguer, R.A., El desafío de Einstein (Historia de las Teorías de Unificación en el Siglo XX), vol. II: Un empeño inacabado, Editorial URSS (Moscú), 2011b
Alemañ, R. «Realismo clásico y realismo cuántico», THÉMATA. Revista de Filosofía,  Nº49, Enero-junio (2014), pp. 15-32
Bunge, M., Foundations of Physics, Spinger-Verlag (New York), 1967a.
Bunge, M. (ed.), Quantum theory and reality, Springer-Verlag (New York), 1967b.
Bunge, M. (ed.), Problems in the foundations of physics, Springer-Verlag (New York), 1971.
Bunge, M., Filosofía de la Física, Ariel (Barcelona), 1982.
Bunge, M., Controversias en Física, Tecnos (Madrid), 1983.
Penrose, R., La Nueva Mente del Emperador, Mondadori España S.A. (Madrid), 1991.
Penrose, R., Lo grande, lo pequeño y la mente humana, Cambridge University Press (Madrid), 1999.

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