El enigma cuántico

Este va a ser un post largo, pero se lo merece, porque trata sobre un tema que ultimamente me ha hecho pensar mucho.

Todo empezó hace unos meses, cuando llegué por casualidad a este artículo sobre un sorprendente experimento físico.

El título es, como mínimo, llamativo. Un equipo de científicos en Viena ha diseñado una serie de experimentos para responder uno de los enigmas más escurridizos de la ciencia: ¿creamos el mundo cuando lo observamos?

Por un momento me pregunté si había dado con el suplemento de ciencia de The Onion, pero no. En realidad es un experimento muy serio, y cuando lei los conceptos de mecánica cuántica en los que se basa y los resultados obtenidos, mi estupor fue mucho mayor que cuando entendí (o eso creo) cómo se crea el dinero. Si aquel es el secreto de familia de la banca y la economía, este es, como afirma el libro del que voy a hablar, el secreto de familia de la física.

El enigma cuántico es un libro escrito por un par de profesores de física interesados en hacer llegar a cualquier persona las profundas repercusiones que tiene la mecánica cuántica en la interpretación de la realidad, sin necesidad de conocimientos de física o matemáticas avanzadas.

Comienza con un resumen brillante de la historia de los descubrimientos físicos. Se presentan los hallazgos de Galileo, Copérnico, Newton y compañía, junto con el contexto histórico y las repercusiones que tuvieron en su época, hasta llegar más o menos a finales del siglo XIX.

En aquella época, con las leyes de Newton y las de Maxwell se podían explicar todos los fenómenos físicos conocidos salvo algunos detalles que, aparentemente, no tardarían mucho en ser resueltos también. A pesar de que parecía tener poco futuro, Planck decidió dedicarse a la física y abordar uno de estos cabos sueltos: la radiación de un cuerpo negro. Después de intentarlo sin éxito, desesperado, decidió introducir la hipótesis de que la energía no se emitía de forma continua, sino en unidades discretas o cuantos, y descubrió que esta suposición le servía para predecir exactamente los resultados experimentales, pese a no tener sentido según la física clásica.

Por otro lado estaba Rutherford y su modelo del átomo con un núcleo de carga positiva rodeado por electrones con carga negativa. Las leyes de Maxwell probaban que esta configuración era inestable, sin embargo Niels Bohr, inspirado por Planck, demostró que la paradoja se podía resolver suponiendo que los electrones sólo podían ocupar un número discreto de órbitas alrededor del núcleo. No parecía tener mucho sentido, pero también explicaba los resultados experimentales.

Y, por otro lado, también estaba Einstein, que además de sorprender a todo el mundo con su teoría de la relatividad, también estaba interesado en otras cosas como el efecto fotoeléctrico. La explicación propuesta por Einstein se basaba en la existencia de partículas discretas o cuantos de luz, a los que llamó fotones, lo cual no tenía ningún sentido pues todo el mundo sabía por entonces que la luz es un fenómeno ondulatorio.

Así estaban las cosas cuando a De Broglie se le ocurrió que si una onda como la luz podía comportarse como una partícula, quizás una partícula como un electrón pudiese comportarse también como una onda. Esta hipótesis, pese a no tener tampoco ningún sentido, fue confirmada experimentalmente al observarse patrones de interferencia (un efecto exclusivo de fenómenos ondulatorios) en electrones.

Harto ya de tantas explicaciones ad hoc y extraños saltos cuánticos, Schrödinger se puso manos a la obra y consigió unificar todos los extraños resultados de partículas y ondas en su ya famosa ecuación. Con ella, una partícula o sistema de partículas podía describirse mediante una ecuación de onda. Sin embargo, a Schrödinger le salió el tiro por la culata, pues su ecuación fue fue precisamente el principio de los quebraderos de cabeza metafísicos.

Porque, para empezar ¿qué sentido tiene describir la materia mediante una ecuación de onda? ¿en qué medio se supone que se propaga?

La respuesta la propusieron un equipo de físicos pertenecientes a lo que se llamó la escuela de Copenhage. Fueron Bohr, Heisenberg (el cual había desarrollado en paralelo una teoría matemática equivalente a la de Schrödinger) y sus colegas los que interpretaron la ecuación de Schrödinger no como una onda física, sino como una distribución de probabilidades. La ecuación de onda de Schrödinger nos da la probabilidad de obtener un resultado particular de entre todos los posibles en un experimento. Por ejemplo, la probabilidad de obtener cierto valor al medir una propiedad de una partícula, como su posición.

Esto ha servido desde entonces para desarrollar cosas tan sofisticadas como un láser o transistores tan pequeños que se componen tan solo de unos cuántos átomos de silicio. Es generalizable, además, a objetos macroscopicos, incluso al propio universo. Es probablemente la teoría más probada de la historia de la física, capaz de predecir con extrema precisión cualquier resultado práctico hasta la fecha, y sin embargo, pocos se adentran en lo que nos está diciendo acerca de la realidad.

Indaguemos. ¿Qué queremos decir cuando hablamos de probabilidades? Cuando tenemos que predecir la tirada de un dado hablamos de que cada uno de los resultados tiene una probabilidad de un sexto. Si un amigo tira el dado pero nos oculta el resultado, para nosotros todos los resultados siguen teniendo una probabilidad de un sexto, sin embargo para nuestro amigo habrá un resultado que tiene una probabilidad igual a uno, y cinco cuya probabilidad es cero. En el caso del dado estamos hablando de probabilidades subjetivas, pues pueden ser distintas para mi amigo y para mi dependiendo de la información que tenga cada uno acerca del estado del dado.

Sin embargo, la ecuación de onda nos da probabilidades objetivas (iguales para cualquier observador) acerca del estado de una partícula. Antes de realizar el experimento todos los resultados posibles existen simultaneamente, en una superposición descrita por la ecuacion de onda. Literalmente. Solo al realizar la medida es cuando la superposición se resuelve dandonos uno de los resultados posibles. Es decir, el acto de observación consciente convierte en real aquello que observamos.

El propio Schrödinger estaba tan desconcertado por el resultado de su ecuación que llegó a proponer un experimento mental, que luego se haría famoso, para demostrar que no podía ser correcta. Su experimento consistía en un gato encerrado en una caja junto con un veneno que se liberaría o no dependiendo del estado de una partícula emitida por un átomo radioactivo. Según la teoría cuántica, la partícula existiría en una superposición de estados, algunos de los cuales liberarían el veneno y otros no, lo cual querría decir que el gato también estaría en un estado de superposición, al mismo tiempo vivo y muerto. La superposición se resolvería en un estado concreto solamente en el momento en que se abriese la caja y observasemos el gato, que estaría vivo, o muerto, pero no ambos estados a la vez.

Este es sólo un experimento mental y nadie lo ha realizado (que yo sepa), pero el que sí se ha llevado a cabo es el de la doble rendija, que se ha convertido en el ejemplo arquetípico de los efectos cuánticos. Veamoslo con un vídeo:

Como dijo Bohr: si no estás confundido todavía por la teoría cuántica, es que no la has entendido bien.

Los propios autores del libro reconocen que durante años utilizaron los resultados prácticos de la teoría sin preocuparse de sus implicaciones. Uno de ellos cuenta como cuando era estudiante conoció a Einstein y no supo que contestarle cuando éste le preguntó por el tema. Años después entendió por qué Einstein estaba tan interesado.

Einstein no tragó nunca la teoría cuántica tal y como la interpretaban Bohr y el resto de físicos de la escuela de Copenhage. Es famosa su frase Dios no juega a los dados, pero en realidad había otra frase que representaba mucho mejor sus objecciones a la teoría cuántica. Era: me gusta pensar que la Luna no desaparece cuando dejo de mirar.

Einstein estaba convencido de que, al contrario de lo que dice la teoría cuántica, la materia tiene propiedades reales que existen independientemente de que sean observadas o no, y pasó gran parte de su carrera intentando demostrarlo sin éxito. Lo más cerca que estuvo fue cuando utilizó, junto con sus colegas Rosen y Podolsky, la propia teoría cuántica para obtener lo que parecía una contradicción insalvable. El entrelazamiento cuántico entre dos partículas, predicho por Einstein y sus colegas, implicaba que o bien la información podía superar la velocidad de la luz (lo cual según la teoría de la relatividad de Einstein es imposible), o que en realidad las partículas no estaban separadas, lo cual es absurdo. Einstein creía haber probado que la teoría cuántica era incompleta y para que fuese válida para describir la realidad, era necesario encontrar lo que faltaba. Alguna variable oculta, que la completase.

¿Absurdo? Bueno, pues en los años 60 un tal John Bell dedujo una forma de comprobar si Einstein estaba en lo cierto o no. Bell demostró que era posible diseñar un experimento para demostrar cual de las dos opciones era la correcta. La clase de experimento que menciona precisamente el artículo del que hablé al principio de este post.

No sé si a Einstein le habría gustado seguir vivo para comprobar como la teoría cuántica se demostraba correcta una y otra vez. No queda ya casi ningún resquicio para creer que es incompleta y que la realidad existe independientemente del observador, y eso seguramente le habría disgustado. Incluso el entrelazamiento entre partículas que propuso para demostrar la invalidez de la teoría cuántica se ha llevado a cabo en la práctica. Lo siento, Albert.

La aproximación de otros físicos descontentos con la teoría cuántica fue darle interpretaciones distintas a la de la escuela de Copenhage. Por ejemplo, está la teoría del multiverso, que dice que en realidad no existe una superposición de múltiples estados, sino multiples universos en los que la partícula se encuentra en un solo estado. Estas interpretaciones también tienen sus propios problemas porque, si eso es cierto, ¿por qué observamos este universo en concreto y no alguno de los otros?

Por último, es importante mencionar algo más sobre el concepto de observación: la forma de resolver la superposición de estados es la observacion consciente. En cualquier otro caso lo único que estaremos haciendo sería añadir más complejidad al sistema que estamos estudiando. Es decir, si un aparato de medida detecta por qué ranura pasa un electrón en el experimento de la doble rendija, en realidad, mientras no se produzca una observación consciente de la medida, lo que ocurre es que el aparato se añade también a la superposición. La teoría cuántica tiene una extraña relación con el concepto de consciencia, la cual, curiosamente, tampoco comprendemos muy bien.

9/1/11 Al parecer, la idea de que solo la observación consciente causa el colapso de la función de onda es más controvertida de que dicen los autores. Su principal defensor es el físico Eugene Wigner, que ilustró la idea con este experimento mental basado en el de Schrödinger. En este otro artículo se critican varias de las afirmaciones de los autores del libro.

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16 respuestas a El enigma cuántico

  1. Javvo dijo:

    Excelente post Manu, claro y por supuesto desconcertante y fascinante, como lo es la búsqueda científica de la verdad.

  2. Manu dijo:

    Otra cosa desconcertante es que los científicos no hablen mucho de ello. Los autores del libro se quejan de que la aproximación de la mayoría de los científicos hacia la teoría cuántica es la de “calcula y calla”, y eso permite que gente poco escrupulosa tome la delantera y utilice todas estas cosas que desconocemos acerca de la realidad para justificar teorías pseudo-científicas como las que se presentan en el documental “What the bleep do we know”, que los propios autores mencionan como ejemplo y del cual están extraídos los vídeos, por cierto.

    Pero, ojo, eso no quiere decir que fenómenos del ámbito no científico como, por citar algún ejemplo, la meditación y sus efectos sobre la consciencia (personas que practican la meditación afirman alcanzar un estado de consciencia en el que su individualidad se difumina y se sienten “uno” con el universo) o la sensación que se describe en el vídeo de ted.com A powerful stroke of insight, no acaben teniendo *mucho* que ver con todo esto.

    Yo procuro tener una mente lo más abierta posible.

    • ChakalKing dijo:

      Has visto este video? Al menos la primera mitad es muy recomendable, la otra es un poco más controvertida:

      Tendrás que pausar varias veces y pensar que es lo que está proponiendo. Que lo disfrutes!

  3. Pingback: Fluyan mis lágrimas, dijo el policía | Lo que pienso

  4. Pingback: Concepción histórica de lo real. La física y sus observadores |

  5. nn dijo:

    Me estoy leyendo ahora el libro y bueno veo que el articulo es de hace tiempo…. El libro esta muy interesante la verdad. pero yo lo que creo es que no es la consciencia la que hace cambiar el resultado del experimento de la doble rendija sino la interaccion foton-electron.
    Ademas el hecho de que nos parezca que pasa por uno u otro agujero cuando miramos, tampoco tiene porque se que esto sea realmente cierto. muchas veces nuestro cerebro reconstruye u acaba formas/objetos de acuerdo a nuestra experiencia previa.

  6. Y CUALES SON LOS ENIGMAS??????

  7. Ricardo Avila dijo:

    Descubrí el libro hace poco, soy ingeniero en electrónica y tengo un posgrado en física. Antes de comenzar a leerlo tuve la prevención automática de todos los físicos o ingenieros, que era una pavada….No lo es en absoluto, lo recomiendo entusiastamente. Solo discrepo con los autores en que no es necesario tener conocimientos de física para leerlo. Para entenderlo de verdad es absolutamente imprescindible haber comprendido razonablemente las leyes de Newton, la teoría de la relatividad y la base de la cuántica, de otro modo suena a jeroglífico. Con estas precondiciones es un libro de lectura apasionante.

  8. José Luis San Miguel de Pablos dijo:

    Hola. Probablemente conocen este artículo, pero por si acaso este es el link:
    http://www.tendencias21.net/El-enigma-del-papel-de-la-conciencia-en-la-realidad-cuantica-sigue-vigente_a8366.html

  9. Leí el libro TRES VECES. Es fascinante pero no es apto para gente sin conocimientos técnicos profundos, doctorado en Física o Ingeniería. Apasionante y abre los ajos ante las cosas que toamos como ciertas porque ” la fórmula funciona” o ” las pruebas que predice la teoría coinciden con la los experimentos ” . Asombroso el hacer pensar si la velocidad de la luz es realmente un límite al plantear que dos partículas “saben” instantáneamente que le pasa a la pareja sin importar la distancia de años luz…. Leerlo para los que el tema les apasiona es OBLIGATORIO.

  10. PajaroAzul dijo:

    Esto es solo una prueba, comentario mas tarde.

  11. PajaroAzul dijo:

    Siempre estuve interesado en estos temas, y ya he llegado a leer, el Enigma Cuántico, que no se si se trata del mismo libro y autor. El que yo lei profundizaba incluso en enigmas de biología, como los campos Mórficos, bastante controvertido.
    Creo que el problema del teorema cuántico es que con el se puede justificar prácticamente cualquier fenómeno paranormal, por muy absurdo que este sea. Es decir seria un coladero para todo.
    Creo que este es la base del miedo que tiene los científicos mas ortodoxos, las implicaciones que puede llegar pueden ser revolucionarias, pero también mágicas. Así seria difícil discernir lo que es plausible y lo que no. Así que prefieren callar y centrarse solo en lo que la teoría le puede aportar para el progreso científico industrial, pensar en implicaciones mas profundas solo es crear confusión.
    Podría ser que tuviesen razón y la teoría todavía este poco madura, y tengamos que ser prudentes. Pero también es verdad que nos podríamos estar perdiendo grandes progresos, si no nos planteamos esas preguntas tan inquietante.
    Mi idea es que todo el universo tiene conciencia, tiende a la complejidad, en mayor o menor medida, lógicamente seres mas desarrollados son mas consciente que una piedra, son niveles jerárquico. Porque si no todas las leyes que conocemos es aplicable a todo el universo, en cierta manera somos lo mismo que el resto del universo. Por tanto vivimos en un universo consiente que aumenta en complejidad gracias a la degradación de las estrellas que es nuestro motor. A nivel practico es la evolución que al igual que en la tierra es aplicable al universo entero. Un simple mosquito tiene conciencia, a su nivel claro esta, nosotros hemos llegado a tal complejidad que nos cuestionamos nuestra propia conciencia. Lo que ya no tengo muy claro, si una maquina, en el caso mas clásico un ordenador puede llegar a tener conciencia, así al pronto creo que no, ya que para crear conciencia se necesita del resto del universo y evolucionar con el, estar conectado conscientemente con el.

  12. petrus dijo:

    El tema es muy interesante y apasionante. Yo ahora estoy leyendo el libro, voy por el capítulo 7, en donde cuenta un poco la ecuación de Schrödinger y el principio de indeterminación de Heisenberg y además hace la afirmación en este capítulo “Lo que van a leer, no es que sea difícil de entender, sino difícil de creer”. Impresionante la cita de Pascual Jordan, en la página 97: “Las observaciones no sólo perturban lo que miden, sino que lo producen”
    Yo estoy leyendo al mismo tiempo “Misicismo y Física Moderna” de Michael Talbot y “El límite” de J.M. Gaona, en el que en el capítulo IV, trata de la consciencia no local. Otro libro, que leí hace tiempo “El Tao de la Física”· de Frijof Capra, también me impresionó. Pienso releerlo. Muchos interrogantes, que nos llevan más allá de la ciencia académica y que la sabiduría Hindú y los místicos, probablemente ya nos han dado respuesta…

    • Mira que me gustaría entender algo.
      Tengo 60 años, llevo años trabajando como médico pero no puedo olvidar la fascinación que sentí a los 14 años, al leer, en la biblioteca del colegio una traducción de principios de física de Feymann, concretamente el efecto fotoeléctrico, me fascinó por lo poco esperable que era que la luz se dividiera en “trocitos”,
      Decidí entonces estudiar físicas, no lo he hecho …
      quizá para la jubilación.
      Pero no me conformo con entender tan poco de las profundidades del mundo en que vio.
      Por eso me trago estos libros que me resultan apasionantes, mira que si yo misma estoy creando las enfermedades de mi paciente, habría que jorobarse. Espero que no les “colapse” con tan poca agudeza.

      Gracias por comentar cosa tan maravillosas para los que somos iletrados en este campo.

  13. Guillermo dijo:

    Sinceramente, no veo el punto del gato de Schroedinger. Para que ese experimento tuviera algún sentido, tendría que haber en la caja un mecanismo que detectara el electrón. ¿No se produciría en ese mismo instante el colapso de la función de onda, con independencia de que se abriese o no la caja?

    Y al fin y al cabo, este experimento se puede realizar fácilmente. No tiene por qué hacerse con un gato de verdad, claro puede hacerse con un botijo que sea roto por un martillo si se detecta el electrón. ¿Estará roto el botijo o no? Pues digo yo que en cuanto se ponga en marcha el detector, sucederá lo que tenga que suceder. Se romperá o no. Y al abrir la caja, lo comprobaremos.

    ¿Me equivoco en algo? Imagino que sí, pero no sé en qué. Al fin y al cabo, ¿por que se sigue hablando de “experimento mental” en vez de probarlo de una puñetera vez? (Sin gato, please.)

  14. Guillermo dijo:

    Por otro lado, estoy leyendo el enlace en el que critican diversas afirmaciones del libro (básicamente para eliminar papel alguno a la conciencia, en plan “escéptico” para entendernos).

    Pues bien, quienes hacen dichas críticas afirman que plantearse dónde está el electrón entre observaciones es una cuestión “metafísica” y por tanto fuera del ámbito de la física.

    O sea, están diciendo que todas las teorías físicas no son teorías sobre la realidad, sino solo sobre “las observaciones de la realidad”. Esto plantea dos problemas:
    1) Que, no nos engañemos, el 99% de los científicos afirman estar describiendo LA REALIDAD, no las observaciones de la realidad. Entonces, alguien se está engañando a sí mismo, los autores de la crítica o el 99% de los científicos.
    2) Esto es aún más heavy. En realidad “observaciones de la realidad” significa “lo que la conciencia percibe de la realidad”, con lo cual de nuevo han introducido la conciencia, “entrelanzándola” de forma irreversible con la realidad en lo que se refiere a nuestras teorías. O sea, están diciendo que nuestras teorías científicas (o, al menos, la teoría cuántica) SÓLO NOS INFORMAN de lo que pasa en nuestra conciencia en relación a la realidad. Casi nada.

    MORALEJA: La teoría de la relatividad la hemos aceptado fácilmente porque nadie va a esas velocidades cercanas a la luz, por lo que realmente no tenemos que afrontar el problema de la relatividad del tiempo. Pero la cuántica es otra cosa. Tenemos a científicos en los laboratorios viendo cosas que LA ÚNICA MANERA QUE HAY DE EXPLICARLAS es que no existe una “realidad” con valores definidos de ciertas características DE TODA LA MATERIA, pero que SÍ SON DEFINIDOS en el momento en que organizamos un mecanismo de observación.

    Esto es MUY RARO y realmente abre la puerta la interpretaciones “místicas”, como, por ejemplo, que la consciencia es una entidad constitutiva del Universo (cosa, que, por otro lado, tendremos que aceptar que es cierta RESPECTO AL UNIVERSO CONOCIDO, que de hecho es el único que podemos conocer). O bien que el Universo (No Conocido) no está determinado, es decir, que resulta aleatorio (con una pequeñísima probabilidad para cada uno de sus estados posibles al agregar TODAS las funciones de onda).

    El tipo de críticas que hacen a “la hipótesis de la conciencia” no son demasiado duras.

    Por ejemplo, ¿qué conciencia influye? Bueno, quizás la primera en actuar. O quizás la última (la del observador que también observa a quien observa). O quizás SÓLO HAYA UNA CONCIENCIA. ¿Cómo podemos saberlo? No me refiero a que sólo exista la mía O LA TUYA, sino a que quizá ambas forman parte del mismo fenómeno y están indisolublemente ligadas.

    La otra crítica es “el Universo se formó mucho antes de que existiera conciencia humana”. También hay diversas explicaciones posibles. Por ejemplo, que las probabilidades se van autocolapsando siguiendo algún tipo de estructura recursiva, hasta que generan una realidad con observación consciente. (En realidad esto y la teoría de los multiversos masivamente aceptada, es lo mismo.)

    Otra explicación es que la consciencia existe desde el inicio, y lo que no existe es un ser que comunique con palabras “tener consciencia”. Esto es coherente con la idea de una única consciencia con “puertas al exterior” que sería lo que confundimos con nuestra propia “conscienci individual”.

    De todos formas, TÚ sabes que la consciencia existe. Todo el Universo que tú conoces está en tu consciencia en la forma de percepciones, pensamientos, emociones, etc. Bien sabes que no hay nada más.

    Eso sí, la verdad puede resultar incómoda, dar un poco miedo, o contradecir lo que creíamos anteriormente. Cierto.

    Pero recuerda, cuando escuchas a los científicos explicar el mundo SIN NECESIDAD DE INTRODUCIR LA CONSCIENCIA EN LA ECUACIÓN, están mostrando un mundo “mecánico” en el que, para que “tú” (este animal humano) PIENSES (tengas estímulos eléctricos y químicos en tu cerebro) NO ES NECESARIA LA EXISTENCIA DE NINGUNA CONSCIENCIA.

    Así que debes de estar imaginándotelo todo.

    ¿No?

    PD. No.

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