Text redactat en basc i traduït automàticament per Elia i sense revisió posterior. MOSTRA L’ORIGINAL

Norma i llum

Què significa existir? Què diu la teoria que explica el comportament fonamental de la naturalesa sobre la naturalesa de la realitat? Aquest tema ha estat font d'un ardent debat d'un segle. En aquest article ens endinsem en el repte d'interpretar la mecànica quàntica en aigua plagada de preguntes profundes i incòmodes.

Ander Tobalina Novo

Un arbre cau en un solitari bosc sense cap ésser al seu voltant. Fa soroll l'arbre en caure? Dues respostes possibles: sí o no. El primer text a rebre aquesta pregunta va donar una resposta negativa^[1]. En ella s'explicava que el so és la sensació que perceben les nostres oïdes, per la qual cosa s'argumentava que en absència d'éssers amb orelles no es produeix soroll. D'altra banda, la pregunta que vaig fer als de la quadrilla, quan estàvem en les noces d'un de nosaltres, i un amic va defensar contundentment la resposta afirmativa. Em va explicar que, a causa de l'ona en la qual el so es propaga per l'aire, hi ha soroll encara que no hi hagi éssers amb oïdes. Qui té raó? Perquè els dos i ningú.

Aquestes respostes contradictòries són mostra de dos marcs filosòfics oposats per a comprendre la naturalesa de la realitat. Què significa existir, després de tot? La resposta negativa té una visió subjectiva idealista, perquè condiciona l'existència del so a la seva percepció. En canvi, la resposta afirmativa, en reconèixer que el so existeix independentment respecte als éssers, adopta un punt de vista realista.

La física desenvolupada des del Renaixement fins al segle XX, avui anomenada física clàssica, es basava en una comprensió realista de la naturalesa. Existeix una realitat objectiva independent de la percepció, i el propòsit de la ciència és explicar aquesta realitat. Per a això utilitzem magnituds físiques: posició, temps, energia, etc., que són les que expressen, en definitiva, la realitat del món. A més, l'evolució d'aquestes propietats és determinista i reversible. És a dir, coneixent el valor inicial d'una magnitud i les condicions de la seva evolució podem predir tots els valors següents. També el contrari: coneixent les condicions de l'evolució i el seu resultat, podem deduir tots els valors anteriors. Així és com s'entenia el món a la volta del segle XX.

si haguéssim fet a un científic occidental la pregunta que va començar aquest article en 1900, hauria donat sens dubte la mateixa resposta que el meu amic. L'arbre, la seva altura, el seu pes… són reals, existeixen, fins i tot el so que fa en caure, encara que ningú l'escolti. No obstant això, en 1950, mentre passejaven pels voltants de l'Institute for Advanced Study de Princeton, dos físics de renom van entaular aquest diàleg^[2]:

—De veritat creus que la lluna només existeix mentre la veiem?

— XX. els físics subordinats, per descomptat, no podem donar una resposta definitiva a aquesta pregunta.

La resposta del segon físic representa un profund canvi de paradigma. Per què? Doncs bé, a principis del segle XX es va desenvolupar la mecànica quàntica i amb ella van aparèixer esquerdes en el realisme sobre el qual es va basar la ciència. I preguntes. Moltes preguntes.

La mecànica quàntica, deixem-la clara, és l'instrument predictiu més precís que els éssers humans hem desenvolupat. En tots els experiments realitzats des de l'origen de la teoria, fins i tot en les condicions més extremes imaginables, els resultats obtinguts coincideixen amb els predits per la mecànica quàntica. Sempre. El formalisme matemàtic de la teoria és sòlid, no hi ha dubte en ell. En canvi, portem un segle de debat sobre el que aquest formalisme ens diu sobre el món i la naturalesa de la realitat. Per què?

El repte d'interpretar la mecànica quàntica es basa en una part fonamental^[3] que separa el formalisme matemàtic de la teoria de la realitat quotidiana dels éssers humans. Aclarirem això. Prenguem dos sistemes, un clàssic, com una pilota, i un altre quàntic, com un àtom, i examinem alguna magnitud física d'aquests sistemes, com la posició. Respecte a la pilota, determinarem la seva posició mitjançant l'aplicació de coordenades basades en un sistema de referència. En aquest cas, només una cosa, el conjunt de coordenades, expressa simultàniament l'estat del sistema (l'objecte matemàtic que usem per a descriure la posició) i la propietat física del sistema (el resultat que obtindrem en mesurar la posició).

Probablement, la separació entre estat i magnitud física semblarà una mica confusa per a la majoria, estem tan acostumats a pensar que són el mateix. En definitiva, així succeeix en la física clàssica que regula el nostre dia a dia. En la física quàntica, per contra, l'objecte amb el qual expressem l'estat d'un sistema (formalisme matemàtic) no coincideix amb el resultat (realitat) que obtindrem en mesurar una propietat física del sistema. Aquí està la part essencial! L'estat de l'àtom s'expressa mitjançant un objecte matemàtic abstracte: la funció d'ona. Això no determina directament la posició de l'àtom. Per contra, dona la probabilitat de trobar l'àtom en l'una o l'altra posició. Podem repetir moltes vegades el mateix mesurament i veurem que les probabilitats es compleixen, però si observem un assaig individual, no podem predir el resultat.

En la defensa de la intuïció diària, que ens diu que la posició té un valor exacte, podem pensar que aquestes probabilitats són un reflex de la nostra ignorància. La dinàmica del sistema és simplement massa complexa i la funció d'ona no és capaç de descriure el procés íntegrament. Darrere estan les variables ocultes i, si coneixem el seu valor i dinàmica, podríem predir exactament la posició de l'àtom. Si aquesta idea crea un assossec intel·lectual en algú, porta males notícies.

Pel que sembla, els experiments que van valer el Premi Nobel de Física 2022 suggereixen que^[4] no existeixen tals variables latents. El caràcter probabilístic és una característica intrínseca de la naturalesa. No és, per tant, que en mesurar una propietat no puguem predir el resultat que obtindrem; no, la propietat en si no està definida abans del mesurament. Què significa això? Que abans de mesurar les coses no existeixen? Llavors, la velocitat de l'arbre que està a punt de caure, existeix si algú no el mesura? I l'ona de pressió generada en l'aire en caure, existeix si ningú la percep? Per descomptat, els arbres, com els gats, no són sistemes quàntics, per tant no té sentit atribuir característiques quàntiques, però s'entenen les esquerdes provocades per la mecànica quàntica en el pensament realista, no?

El rang fonamental en el qual es basa la mecànica quàntica no sols afecta als resultats dels mesuraments de propietats físiques, sinó també a l'evolució dels sistemes. Com ja s'ha esmentat, l'estat d'un sistema quàntic s'expressa per mitjà de la funció d'ona i la mecànica quàntica descriu l'evolució de la funció d'ona. Aquesta evolució és determinista i reversible. Equivalent a la Física clàssica; gens especial fins aquí. El problema sorgeix quan es mesura. Segons la teoria, en mesurar una propietat del sistema, la funció d'ona canvia bruscament a un estat associat amb el resultat del mesurament, a un estat guiat per la probabilitat. Això es coneix com a col·lapse de la funció ondulatòria, que impedeix el determinisme i la reversibilitat que sustenten la ciència. Recorda que, en la física clàssica, sabent l'estat d'un sistema i les condicions de la seva evolució, podem conèixer totes les situacions anteriors i posteriors. No obstant això, en un món regit per la mecànica quàntica, com deduir situacions anteriors si el sistema ha seguit una dinàmica guiada per la probabilitat? O com predir l'evolució d'un sistema, fins i tot coneixent la situació actual i totes les condicions de l'evolució, si aquesta evolució està regulada per lleis de probabilitat? En aquest context, té algun sentit científic preguntar-nos d'on venim o a on anem?

Els dos temes citats —la indeterminació intrínseca de les propietats dels sistemes quàntics i el col·lapse de la funció ondulatòria— ens obren la porta a molts altres desafiaments interpretatius. Per exemple, hem parlat de mesurar les propietats dels sistemes quàntics, però què és un mesurament? És necessari que un ésser viu observi el resultat del mesurament? On està el límit que separa la física clàssica de la física quàntica? És realment el col·lapse instantani o és una transformació que segueix unes regles que no coneixem? La funció d'ona és l'objecte físic real? O simplement una eina matemàtica? Com dic, moltes preguntes.

I moltes respostes. Aquest article s'ha basat en una interpretació estàndard de la mecànica quàntica, en el que anomenem de Copenhaguen. No obstant això, per a respondre a les preguntes que hem plantejat, han sorgit infinitat d'interpretacions alternatives^[5]. De moment, totes les propostes fan les mateixes prediccions, per la qual cosa no hi ha forma empírica per a preferir l'una o l'altra. La discussió de la interpretació de la quàntica és actualment metafísica. L'àmbit de la Física és diferent, és a dir, el desenvolupament de models matemàtics que permeten fer prediccions. I això, encara que sigui probabilísticamente, ho fa perfectament la mecànica quàntica. Per què, llavors, insistir a buscar una interpretació?

D'una banda, podríem parlar de l'apropiació indeguda que sofreix la mecànica quàntica^[6]. Sí, la teoria té característiques que van en contra de la intuïció esculpida en els nostres cervells al llarg dels segles, la qual cosa li ha atribuït una aura misteriosa. I sí, sent la base de moltes tecnologies capdavanteres, la teoria també té una imatge prestigiosa en la societat. No obstant això, la utilització del prestigi de la mecànica quàntica per a millorar la imatge dels productes de venda aliens a la teoria no és justa. Cosa que és més greu, el nom de la quàntica s'ha utilitzat també en la cerca de la legitimitat de les pràctiques pseudocientífiques i les pseiterapías. Davant aquesta situació, la comunitat científica ha d'aconseguir articular una narració accessible i rigorosa del que és i no és la mecànica quàntica, per a això seria útil arribar a un consens entorn de la interpretació de la teoria.

No obstant això, la raó principal per a buscar una explicació sobre el que la mecànica quàntica diu sobre la naturalesa de la naturalesa i de la realitat, la més profunda, que de per si mateix dona sentit a aquesta pràctica, és el desig de sadollar la pura curiositat, fugaç de la ciència. Res més. En les belles paraules de Xabier Lete, el treball dels éssers humans és saber, canviar de coneixement... Busquem actuar, perseverar en aquesta obstinació, la norma i la llum. Tenim la norma. Ens falta trobar la llum.

Bibliografia

[1] The Chautauquan: Organ of the Chautauqua Literary and Scientific Circle. M. Bailey. 1884.

[2] A. Pais, Subtle is the Lord: The science and the life of Albert Einstein. Oxford University Press, 2005

[3] N. D. Mermín. Commentary Quàntum mechanics: Fixing the shifty split. Physics Today 1 juliol 2012; 65 (7): 8–10. https://doi.org/10.1063/pt.3.1618

[4] The Nobel Prize in Physics 2022. Nobelprize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/

[5] A. Cabell Interpretations of Quàntum Theory: A Map. What is quàntum information? (2017) 138.

[6] Sabín, C. (2020) Veritats i mentides de la física quàntica, ed. CSIC.