Mecánica cuántica: El mundo de las verdades imposibles

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Existe un primer gran desacuerdo entre la Mecánica de Newton (MN) y la Mecánica Cuántica (MQ). La primera supone que la naturaleza es independiente del que la piensa, investiga o experimenta, en tanto que la segunda, en la mayoría de sus versiones, afirma (¡¡¡y verifica experimentalmente!!!) que la realidad de un objeto (si tiene alguna) depende del acto de observación. Por José María Lentino*

 

 

Esto implica necesariamente que la realidad intrínseca[1] (y discutible según los físicos cuánticos) de algo que no es observado debe ser radicalmente distinta de la que se hace visible cuando es observado. Una vez establecida la MQ, esto ha sido uno de los varios enigmas que desafían la noción de realidad históricamente admitida.

 

Es decir, en tiempos de la MN se suponía que un objeto podía ser observado, sin interactuar con él, o bien, si había interacción, ésta podía ser reducida indefinidamente, de manera que, en tal situación, el objeto persistía idéntico a sí mismo antes y después de ser observado. Pero la MQ cambió todo. En interpretaciones algo radicales, algunos físicos afirman que lo que vemos se crea al momento de observarse.

 

Tal vez esto sea cierto aunque pueda expresarse de una forma menos literal, y sobre todo que, aun admitiendo que lo que se ve de algún modo se crea en el momento que se observa, esto no implica necesariamente que se crea de la nada, aunque sea imposible ver aquello que había antes.

 

Esto es precisamente el problema, porque de acuerdo con Dirac, para la física “Sólo tienen significado real las preguntas sobre los resultados de experimentos y son éstas las únicas preguntas que debe contestar la física”[2]. Es decir no se siente obligada a responder sobre esas cuestiones y, por supuesto, tiene buenas razones para no hacerlo.

 

Antes de seguir, apresurémonos a decir de qué tipos de objetos hablamos. Salvo importantes excepciones, en las que el fenómeno cuántico es prevalente aunque no por su tamaño, en este texto hablamos en general de partículas.

 

Micro objetos de tamaño atómico o subatómico enormemente más pequeños de los que interesan a la mecánica clásica o MN, aunque, como dijimos, hay importantes excepciones.

 

Estos objetos que aquí interesan reciben rápidamente y sin mayor reflexión el taxativo nombre de “partículas”. ¿Por qué los llamamos partículas?… Bueno, sencillamente porque, en relación a su tamaño, miramos desde muy, muy lejos.

 

Si nos acercáramos suficientemente a ellos veríamos[3] que no son las tradicionales partículas, es decir no son los objetos más o menos esféricos, aunque bien definidos, con masa, y tal vez carga eléctrica, extremadamente pequeñas que surgen de nuestras fantasías newtonianas. Existe una definición alternativa de objeto cuántico más exacta que la referida a su tamaño. En efecto, podemos decir que un objeto es cuántico cuando implica en su descripción energías extremadamente bajas[4]. ¿Pero qué es un objeto cuántico?

 

Sin hacer una observación no hay formas de imaginarlos y al hacerla eligen su naturaleza al azar. No hay forma de describirlos. Pero creemos que allí están. Mario Bunge, careciendo de nombres representativos, los llama “cuantones”. Naturalmente estos cuantones son la materia prima de la que se vale la MQ para la descripción más elemental del universo, aunque en realidad sólo puede representarlo matemáticamente.

 

No obstante existen objetos cuánticos que no son microscópicos[5]. La línea de demarcación entre ambos mundos no es fácilmente discernible (tal vez haya que decir que, por ahora, no es discernible de ninguna forma[6]), aunque, conceptualmente, lo peor es que los objetos normales son una enorme acumulación de objetos cuánticos cuyo agregado se comporta, a partir de un cierto tamaño, como objetos clásicos. Sin embargo cabe la pregunta: ¿una proteína, una bacteria, un virus son objetos clásicos? La tecnología actual permite tratar cuánticamente a muchos de esos objetos.

 

Volviendo al problema, creemos, y este es nuestro punto de vista, que no debe pensarse que la MQ niega o crea de la nada la realidad cuando se la observa. Todo lo contrario, la MQ la hace evidente y la muestra en forma insospechada. Por supuesto porque la realidad es abrumadoramente complicada, pero aun así, a pesar de sus increíbles afirmaciones, la formulación matemática de la MQ, y todas las teorías que derivan de ella, funcionan impecablemente bien y sobre todo tiene en cuenta los fenómenos, absolutamente inexplicables para la mecánica clásica.

 

Esto es tan literal que la mayoría de los físicos creen innecesario bucear en significados mucho más cercanos a la filosofía que a la física[7].

 

Hasta ahora el mundo de la MQ puede ser tratado en su totalidad con el formalismo matemático, tanto experimental como teóricamente. No obstante no deja de ser estimulante tratar de entender qué está sucediendo (si es que sucede algo que, por ahora, no comprendemos).

 

Aun  así nosotros también creemos que el avance de las ciencias físicas no depende, afortunadamente, de ningún tipo de interpretación filosófica aunque, y valga la paradoja, quizás interpretar filosóficamente la realidad cuántica, gatille nuevas intuiciones que deriven en nuevas hipótesis que terminen en nuevas teorías científicas que amplíen la comprensión física de los fenómenos cuánticos.

 

En el ámbito de la MQ deben explicitarse muchos aspectos que pueden parecer obvios pero que de ninguna manera lo son. Por ejemplo, como ya anticipamos más arriba, cuando se observa experimentalmente un objeto cuántico este asume generalmente al azar una realidad distinta de la que tenía… pero… ¡Por supuesto! No es ninguna novedad. ¡Si lo estamos midiendo seguramente lo estamos modificando! Sobre todo si los objetos observados son de tamaño atómico. Esto es cierto, sin embargo no nos referimos  a eso. Más bien hablamos de esa suerte de transmutación que ocurre al observar un objeto cuántico que, al azar, a veces se corporiza en partícula y en otras en onda. Opciones absolutamente antitéticas si las hay.

 

El aspecto probabilístico es intrínseco a la MQ por eso “el resultado de un experimento no está determinado por condiciones controlables por el experimentador”[8]. Como antes no ocurría con la MN, agregamos nosotros.

 

Desde ahora debemos aceptar, y en lo que sigue hablaremos de ello, que eso que observamos en los experimentos cuánticos existe de otra forma radicalmente distinta de cuando no lo observamos. Al punto que Werner Heisenberg dice que antes de ser observado el objeto es pura potencialidad y que toma realidad física recién cuando se lo observa. No obstante, y aun proviniendo nada menos que de Heisenberg, este punto de vista es hoy minoritario entre los físicos actuales, y si bien la gran mayoría de ellos, por no decir todos, pueden hacer avanzar su ciencia sin reparar en lo filosóficamente incomprensible, no obstante algunos investigadores no dejan de hacerlo.

 

Los físicos newtonianos siempre han tenido buenas razones para ser realistas. ¿Qué otra cosa se podía esperar que fuera una piedra si no hubiera nadie que la estuviera mirando?  La MN cree poder predecir el comportamiento de esa piedra en cualquier situación que podamos imaginar. Estemos observándola o no. Todo les hace pensar que la presencia de observadores humanos no tiene influencia en la realidad… Y están en lo cierto.

 

Esta certeza, así como las leyes de la mecánica clásica son evidentes en contextos normales. El éxito y persistencia de la MN, desde el siglo XVII hasta los primeros meses del 1900, les hizo confiar, con todo derecho, de que esas leyes tal vez fueran válidas en el micro mundo atómico. Pero no fue así. La MN sigue siendo válida en el mundo normal que rodea a los seres humanos pero ha dejado de serlo, absolutamente, en el micro mundo y, en ocasiones, mucho más acá del micro mundo. No obstante la MQ y la teoría de la relatividad tienen a la MN como caso especial de aplicación.

 

La MQ también es realista, aunque debiéramos decir que es realista superando el realismo ingenuo de la MN. El estado de un sistema clásico evoluciona de acuerdo a las leyes de la física clásica. Tal vez sea muy difícil predecir el futuro pero para los científicos clásicos sólo se trataba de un problema de cálculo[9]. Si éste fuera superado, conoceríamos al detalle el devenir de cualquier cosa… y por supuesto su pasado (un problema filosófico para la MN ya que cuestiona el libre albedrío[10]).

 

Esto no ocurre con los sistemas cuánticos aunque fuéramos poseedores de una potencia de cálculo infinita. Si bien, se conoce al detalle la evolución del estado de un sistema, ese conocimiento solo brinda probabilidades estadísticas de que el sistema asuma determinados estados. En este aspecto la MQ recupera el determinismo y, por supuesto, puesta a predecir, es increíblemente más exacta que la MN. Hemos dicho, en el último párrafo “asuma determinados estados”, este es un concepto que repetiremos varias veces en estas páginas. En efecto, antes de asumir un estado (al azar), cuando es medido u observado, el aparato matemático de la MQ nos indica que el objeto cuántico tiene, simultáneamente, todos los estados que les permite el contexto físico en el que se encuentra. Desde luego, es muy difícil representar esta superposición de estados, sino imposible.

 

Bohr no obstante argüía que no era responsabilidad de la física representar cosas que no observaba. La física predecía con exactitud qué estados se podían hacer visibles y con qué probabilidad y esto debería ser suficiente.

 

Albert Einstein, que abominaba de estas características de la MQ, decía con cierta amargura: “Pienso que una partícula tiene que tener una realidad separada independiente de las mediciones. Esto es, un electrón tiene órbita, posición y demás, aún cuando no esté siendo medido. Me gusta pensar que la luna está aún si no la estoy mirando” Paradójicamente, tal vez Einstein fue el primero que tomó en serio a la MQ y hasta ganó un Premio Nobel, con el efecto fotoeléctrico (1905), en esencia un fenómeno cuántico. Sin embargo era demasiado para él admitir los fenómenos no localizados que implicaban acciones “fantasmales” a distancia (“spooky action”).

 

La famosa paradoja Einstein, Podolsky, Rosen (EPR) fue su más clara y contundente protesta. En efecto, es muy difícil admitir la interacción de dos objetos a distancias en las que es imposible cualquier vinculación conocida. Esto nos obliga a admitir que antes de la observación las partículas con estados entrelazados[11] son algo muy diferentes a dos objetos alejándose, cada una de ella con características definidas al partir. En sí mismo es un objeto nuevo e individualmente distinto a los dos que los componen…

 

Es poco menos que una alucinación aceptar que el estado entrelazado incluye la superposición simultanea de todos los estados posibles del sistema y que éste se dilucidará en uno de los extremos cuando se observe el estado arbitrario de una de las partículas, que arrastrará al instante, y no importa cuán lejos esté, el estado de la otra.

 

 Einstein, Podolsky, Rosen publicaron el 15 de mayo de 1935, en el volumen 47 de Physical Review el artículo “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” cuestionando la consistencia lógica de la MQ. No obstante algunos años después, en 1964, John S. Bell[12] publica un trabajo en el que muestra un camino para verificar experimentalmente la completitud o no de la MQ. Las llamadas “desigualdades de Bell” podrían dirimir quién tenía razón. El físico francés Alain Aspect ideó un experimento basándose en las desigualdades de Bell que llevó a cabo en 1982 y que confirmó, más allá de cualquier duda, la descripción brindada por la MQ. La polémica fue zanjada a favor de la descripción ortodoxa de Bohr. Einstein no tenía razón y, junto con él, tampoco la tenían David Bohn y su Teoría de Variables Ocultas

 

Los físicos clásicos y los filósofos realistas reducen el valor ontológico de algo si ese algo no tiene alguna manifestación taxativa que los identifique permanentemente, se los observe o no, y, por muchas razones, los objetos cuánticos no la tienen.

 

Es obvia, entonces la reticencia a admitir como definitivos el aspecto algo esotérico de algunos postulados de la MQ. Tal vez algo así sucedía con el gran Albert Einstein. Como hemos dicho, es muy probable que jamás podamos comprender a fondo a la MQ.

 

Cuentan que Richard Feynman mascullaba con amargura “Nadie entiende a la mecánica cuántica” y seguramente tenía razón: nadie tiene idea de qué puede ser un objeto cuántico cuando no es observado. Sin embargo para tranquilidad de todos, la formulación matemática es absolutamente suficiente para tratar en detalle todas las manifestaciones fenoménicas de la física actual. El gran avance de prácticamente toda la tecnología, en el siglo XX y lo que va del XXI, es debida precisamente a la comprensión sobre los hechos que da el aparato matemático de la MQ.

 

En efecto, en el prólogo al libro “Qué es la tecnología” de Dominique Raynaud, el laureado Mario Bunge afirma que el autor  “… distingue la tecnología o diseño de artefactos de la ciencia o estudio de la realidad.  Mientras la primera diseña nuevas cosas posibles y busca la utilidad práctica, la segunda busca verdades acerca de lo existente.  Pero la tecnología contemporánea, a diferencia de la técnica artesanal, como la que guía la construcción de muros, muebles o vestimentas, hace uso intensivo de la ciencia.  Por ejemplo, los computadores habrían sido imposibles sin la física del estado sólido, que a su vez se funda en la mecánica cuántica, henchida de matemática inicialmente pura”.

 

En el otro bando, como ya hemos visto, Werner Heisenberg afirmaba sin eufemismos: “los átomos o las partículas elementales no son reales; ellas forman un mundo de potencialidades o posibilidades, mejor que uno de cosas o hechos”. Según el enfoque cuántico, las partículas subatómicas carecen de posiciones y trayectorias antes de ser medidas, sencillamente éstas no existen. Insistamos y digámoslo una vez más: no es que no se conozcan porque no se han medido sino que no existen, literalmente no existe posición ni trayectoria. Naturalmente porque antes de hacer un experimento no son partículas ni ondas: son cuantones, ie. ¡¡¡ambas cosas a la vez!!!. Los cuantones no tienen trayectoria ni posición discernibles antes de ser observados. Las cosas no están en el lugar que las vemos hasta que las vemos. O tal vez, sí están, pero con igual derecho, pueden estar simultáneamente en todas partes. Pero decir que pueden estar en muchos lugares a la vez es como decir que lo que observamos no existe como lo observamos antes de observarlo. Volviendo a Heinsenberg “…un mundo de potencialidades o posibilidades,  mejor que uno de cosas o hechos”.

 

Sin más debiéramos admitir una realidad física diferente a la que creíamos y que hasta ahora aceptábamos que existía con o sin observadores.

 

El objeto cuántico antes de ser observado es otra cosa. Seguramente es una realidad[13], pero no la que estamos acostumbrados a idealizar como partícula u onda. En realidad, un objeto cuántico no puede ser focalizado en ningún lugar, como objeto definido (partícula u onda), antes de ser observado.

 

Este raro comportamiento de los objetos cuánticos fue verificado experimentalmente en muchos y notables experimentos. La base de ese comportamiento tan increíble está, entre otras cosas, en el hecho de que un objeto cuántico es la superposición de todos los estados componentes compatibles con la naturaleza del experimento.

 

Por ejemplo  dos fotones que se crean polarizados en direcciones opuestas (no nos preocupemos que significa este término, solo basta que sepamos que si un fotón está polarizado en un sentido, el otro lo estará en el contrario) caminando en direcciones opuestas, para la MQ es un solo objeto cuántico formado por el entrelazamiento de otros dos objetos.

 

Pues bien, este tipo de fenómenos despertó las críticas y el rechazo decidido de Albert Einstein. En efecto, éste publicó en 1936 un famoso artículo (que ya hemos mencionado en este texto) con sus colaboradores Boris Podolsky y Nathan Rosen, en el que cuestionaban la acción instantánea y a distancia entre los dos componentes,  introduciendo el concepto de instantaneidad como parte de una demostración de la incompletitud de la MQ.

 

Einstein llamaba este efecto “acción fantasmagórica a distancia”, y en cierto sentido tenía razón.

 

Einstein fue un científico extraordinario pero en esto se equivocaba. En varios experimentos posteriores se demostró la exactitud de las predicciones brindadas por la MQ.

 

En particular en estos últimos días la revista Science del 15 de junio de 2017 publica el artículo: “China’s quantum satellite achieves ‘spooky action’ at record distance” en la que se muestra que un par de fotones (en realidad tendríamos que llamarlos cuantones) entrelazados y polarizados en sentido contrario, creados en el satellite Micius a 500 km de altitud, dispositivo lanzado en 2016, confirman la interacción instantánea entre ambos, es decir al estado de polarización arbitraria observada en uno de los fotones le corresponde, instantáneamente el estado opuesto en el otro fotón,  al ser detectados ambos en estaciones ubicadas en tierra (laboratorios de Delingha y Lijiang en TIbet, China) a 1200 km uno del otro, un record absoluto hasta ahora.

 

 

 

 

 

Epilogo

 

 

 

 

 

Las ideas, afirmaciones, descripciones que se acumulan en este texto pueden dar aire a puntos de vista anticientíficos que, durante siglos y hoy más que nunca, buscan homologarse a través de las ciencias.

 

Nosotros hemos cuidado de que nada parezca producto de fuerzas ignotas. La mecánica cuántica es insólita y sorprendente, eso es indudable, pero todas sus “excentricidades” están sólidamente basadas en teorías científicas exigentemente contrastadas por ensayos experimentales que se renuevan día a día, y si bien, nosotros podemos no haberlos mencionado, existen y pueden ser consultados, todos ellos, en la abundante literatura científica sobre la mecánica cuántica.

 

En la física de hoy existen muchas especulaciones, pero fue, es y debe ser así, ya que el mal llamado “método científico” formula hipótesis y construye teorías que a la postre deben ser rigurosamente contrastadas contra la realidad.

 

Una enorme distancia existe entre la ciencia y la pseudociencia en el hecho de que las primeras reconocen, cuando es el caso, su carácter especulativo y la falta de confirmación experimental cuando esta no existe. La ciencia en su etapa especulativa trata de sugerir por todos los medios caminos para lograr esa confrontación experimental. ¿Qué científico no desea ver sus ideas salir exitosas ante los más duros experimentos que sus colegas puedan diseñar? Esto es, precisamente, lo que escatiman los charlatanes y falsificadores alejando sus teorías del control experimental.

 

Este blindaje es bien conocido y ha sido utilizado hasta el hartazgo no solo por los charlatanes sino además por todos aquellos que viven, desde hace milenios, usufructuando del desconocimiento y la ingenuidad del público.

 

*El Lic. José María Lentino es Físico egresado de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, en donde fue docente e investigador. Posteriormente realizó un posgrado en Funcionamiento de Centrales Nucleares dictado por la Central Nuclear Atucha I de la CNEA, dedicándose varios años a su profesión. Trabajó también en áreas de la informática diseñando y programando sistemas comerciales. En la actualidad cumple funciones de Director de la Sociedad Científica Argentina

 

 

 

Bibliografía

 

 

 

Miguel Angel Virasoro. Comunicación personal. 2017

Eduardo Arroyo. Ciencia y Consciencia – La interacción entre mente y materia, España, Editorial RBA, 2016.

Bruce Rosenblum y Fred Kuttner. El Enigma Cuántico – Encuentros entre la Física y la Conciencia. Argentina, TusQuets Editores, 2012.

A.M. Dirac. Principios de Mecánica Cuántica, España, Ediciones Ariel, 1967

Anton Zeilinger, La Realidad de los Cuantos, España, Temas, Investigación y Ciencia Nº86, 4to cuatrimestre, 2016.

Agustín Rela, Comunicación personal. 2017

Andrés Cassinello y José Luis Sanchez Gomez. La Realidad Cuántica, España, Drakontos Crítica, 2012

Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu y Franck Laloe, Quantum Mechanics, Francia, Herman, John Wiley & Sons,1977

Roger Penrose, El Camino a la Realidad, DEBATE, España, 2000

 

 

 

 

[1] Si bien una teoría física no se ocupa de la realidad intrínseca sino  sólo de las características observables, directa o indirectamente,  es también cierto que muchos grandes científicos piensan más allá de las teorías vigentes. Mediante la lógica, la intuición, los experimentos, la curiosidad, el conocimiento, la casualidad, los errores, la suerte, etc., etc., a veces superan lo establecido, es decir se introducen en alguna porción desconocida de la realidad. Esas porciones de la realidad son la que llamamos “realidad intrínseca”, es decir una realidad que todavía no tiene derecho de pertenecer a la ciencia.

 

 

[3] Naturalmente toda vez que miremos u observemos estaremos haciendo un experimento. Tal vez arrojándole  otros objetos que según creemos nos permite “mirar” al monstruo cuántico.

 

[4] Un par de partículas entrelazadas, separándose una de otra, no es un sistema totalmente microscópico aunque involucre muy bajas energías. En efecto no es microscópico, en relación a la distancia que separa a las partículas alejándose una de otra.

 

[5] Estrellas de neutrones, láseres, agujero negros, etc

 

[6] Más adelante diremos algo relativo a esa misteriosa línea de demarcación al mencionar la teoría GRW (Ghirardi-Rimini-Weber)

 

[7] Bruce Rosenblum y Fred Kuttner hablan en su excelente libro “El Enigma Cuántico” de una especie de “secreto de familia” del cual, los físicos cuánticos, prefieren no hablar, como los pecados vergonzantes en las familias tradicionales.

 

[8] Principios de Mecánica Cuántica”, P.A.M. Dirac, Editorial Ariel, España, 1968, pag. 19.

 

[9] En efecto si en un instante dado, se conocen para todas las  porciones elementales: su posición, su velocidad, y todas las fuerzas que actúan sobre cada una de ellas, es posible para el Gran Calculista del Universo conocer todo el pasado y todo el futuro del sistema aplicando las ecuaciones de Hamilton-Jakobi

 

[10] Por supuesto quienes adhieren a principios espirituales pueden argumentar una realidad metafísica que no se agota en los límites de la física. En ese espacio recuperarían, en toda su potencia, la libertad de elección.

 

[11] Cuando varios objetos cuánticos se encuentran entrelazados (entangled) no puede sacarse conclusiones estudiando (cuánticamente) el estado individual de cada uno de ellos por separado. Por el contrario debe estudiarse el estado único del sistema formado por todos ellos y resolviendo la ecuación de Schrodinger para todo el conjunto simultáneamente. Es decir tendremos una única función de onda  para todo el sistema.

 

[12] John Bell hubiera merecido, con toda justicia, el Premio Nobel si no hubiera fallecido prematuramente. Su aporte a la QM es seguramente uno de los avances científicos más importantes del siglo.

 

[13] Por supuesto esto es, por ahora y tal vez para siempre, afirmaciones de la metafísica.

 

José María Lentino. Abril 2018

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