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Norma y luz

¿Qué significa existir? ¿Qué dice la teoría que explica el comportamiento fundamental de la naturaleza acerca de la naturaleza de la realidad? Este tema ha sido fuente de un ardiente debate de un siglo. En este artículo nos adentramos en el reto de interpretar la mecánica cuántica en agua plagada de preguntas profundas e incómodas.

Ander Tobalina Novo

Un árbol cae en un solitario bosque sin ningún ser a su alrededor. ¿Hace ruido el árbol al caer? Dos respuestas posibles: sí o no. El primer texto en recibir esta pregunta dio una respuesta negativa^[1]. En ella se explicaba que el sonido es la sensación que perciben nuestros oídos, por lo que se argumentaba que en ausencia de seres con orejas no se produce ruido. Por otro lado, la pregunta que hice a los de la cuadrilla, cuando estábamos en la boda de uno de nosotros, y un amigo defendió contundentemente la respuesta afirmativa. Me explicó que, debido a la onda en la que el sonido se propaga por el aire, hay ruido aunque no haya seres con oídos. ¿Quién tiene razón? Pues los dos y nadie.

Estas respuestas contradictorias son muestra de dos marcos filosóficos opuestos para comprender la naturaleza de la realidad. ¿Qué significa existir, después de todo? La respuesta negativa tiene una visión subjetiva idealista, pues condiciona la existencia del sonido a su percepción. En cambio, la respuesta afirmativa, al reconocer que el sonido existe independientemente respecto a los seres, adopta un punto de vista realista.

La física desarrollada desde el Renacimiento hasta el siglo XX, hoy llamada física clásica, se basaba en una comprensión realista de la naturaleza. Existe una realidad objetiva independiente de la percepción, y el propósito de la ciencia es explicar esta realidad. Para ello utilizamos magnitudes físicas: posición, tiempo, energía, etc., que son las que expresan, en definitiva, la realidad del mundo. Además, la evolución de estas propiedades es determinista y reversible. Es decir, conociendo el valor inicial de una magnitud y las condiciones de su evolución podemos predecir todos los valores siguientes. También lo contrario: conociendo las condiciones de la evolución y su resultado, podemos deducir todos los valores anteriores. Así es como se entendía el mundo a la vuelta del siglo XX.

si hubiésemos hecho a un científico occidental la pregunta que comenzó este artículo en 1900, habría dado sin duda la misma respuesta que mi amigo. El árbol, su altura, su peso… son reales, existen, incluso el sonido que hace al caer, aunque nadie lo escuche. Sin embargo, en 1950, mientras paseaban por los alrededores del Institute for Advanced Study de Princeton, dos físicos de renombre entablaron este diálogo^[2]:

—¿De verdad crees que la luna solo existe mientras la vemos?

— XX. los físicos subordinados, por supuesto, no podemos dar una respuesta definitiva a esta pregunta.

La respuesta del segundo físico representa un profundo cambio de paradigma. ¿Por qué? Pues bien, a principios del siglo XX se desarrolló la mecánica cuántica y con ella aparecieron grietas en el realismo sobre el que se basó la ciencia. Y preguntas. Muchas preguntas.

La mecánica cuántica, dejémosla clara, es el instrumento predictivo más preciso que los seres humanos hemos desarrollado. En todos los experimentos realizados desde el origen de la teoría, incluso en las condiciones más extremas imaginables, los resultados obtenidos coinciden con los predichos por la mecánica cuántica. Siempre. El formalismo matemático de la teoría es sólido, no hay duda en él. En cambio, llevamos un siglo de debate sobre lo que este formalismo nos dice sobre el mundo y la naturaleza de la realidad. ¿Por qué?

El reto de interpretar la mecánica cuántica se basa en una parte fundamental^[3] que separa el formalismo matemático de la teoría de la realidad cotidiana de los seres humanos. Vamos a aclarar esto. Tomemos dos sistemas, uno clásico, como un balón, y otro cuántico, como un átomo, y examinemos alguna magnitud física de estos sistemas, como la posición. Respecto al balón, determinaremos su posición mediante la aplicación de coordenadas basadas en un sistema de referencia. En este caso, sólo una cosa, el conjunto de coordenadas, expresa simultáneamente el estado del sistema (el objeto matemático que usamos para describir la posición) y la propiedad física del sistema (el resultado que obtendremos al medir la posición).

Probablemente, la separación entre estado y magnitud física parecerá un poco confusa para la mayoría, estamos tan acostumbrados a pensar que son lo mismo. En definitiva, así sucede en la física clásica que regula nuestro día a día. En la física cuántica, por el contrario, el objeto con el que expresamos el estado de un sistema (formalismo matemático) no coincide con el resultado (realidad) que obtendremos al medir una propiedad física del sistema. ¡Aquí está la parte esencial! El estado del átomo se expresa mediante un objeto matemático abstracto: la función de onda. Esto no determina directamente la posición del átomo. Por el contrario, da la probabilidad de encontrar el átomo en una u otra posición. Podemos repetir muchas veces la misma medición y veremos que las probabilidades se cumplen, pero si observamos un ensayo individual, no podemos predecir el resultado.

En la defensa de la intuición diaria, que nos dice que la posición tiene un valor exacto, podemos pensar que estas probabilidades son un reflejo de nuestra ignorancia. La dinámica del sistema es simplemente demasiado compleja y la función de onda no es capaz de describir el proceso en su totalidad. Detrás están las variables ocultas y, si conocemos su valor y dinámica, podríamos predecir exactamente la posición del átomo. Si esta idea crea un sosiego intelectual en alguien, trae malas noticias.

Al parecer, los experimentos que valieron el Premio Nobel de Física 2022 sugieren que^[4] no existen tales variables latentes. El carácter probabilístico es una característica intrínseca de la naturaleza. No es, por tanto, que al medir una propiedad no podamos predecir el resultado que obtendremos; no, la propiedad en sí no está definida antes de la medición. ¿Qué significa eso? ¿Que antes de medir las cosas no existen? Entonces, la velocidad del árbol que está a punto de caer, ¿existe si alguien no lo mide? Y la onda de presión generada en el aire al caer, ¿existe si nadie la percibe? Por supuesto, los árboles, como los gatos, no son sistemas cuánticos, por lo tanto no tiene sentido atribuir características cuánticas, pero se entienden las grietas provocadas por la mecánica cuántica en el pensamiento realista, ¿no?

El rango fundamental en el que se basa la mecánica cuántica no solo afecta a los resultados de las mediciones de propiedades físicas, sino también a la evolución de los sistemas. Como ya se ha mencionado, el estado de un sistema cuántico se expresa por medio de la función de onda y la mecánica cuántica describe la evolución de la función de onda. Esta evolución es determinista y reversible. Equivalente a la Física clásica; nada especial hasta aquí. El problema surge cuando se mide. Según la teoría, al medir una propiedad del sistema, la función de onda cambia bruscamente a un estado asociado con el resultado de la medición, a un estado guiado por la probabilidad. Esto se conoce como colapso de la función ondulatoria, que impide el determinismo y la reversibilidad que sustentan la ciencia. Recuerda que, en la física clásica, sabiendo el estado de un sistema y las condiciones de su evolución, podemos conocer todas las situaciones anteriores y posteriores. Sin embargo, en un mundo regido por la mecánica cuántica, ¿cómo deducir situaciones anteriores si el sistema ha seguido una dinámica guiada por la probabilidad? ¿O cómo predecir la evolución de un sistema, incluso conociendo la situación actual y todas las condiciones de la evolución, si esta evolución está regulada por leyes de probabilidad? En este contexto, ¿tiene algún sentido científico preguntarnos de dónde venimos o a dónde vamos?

Los dos temas citados —la indeterminación intrínseca de las propiedades de los sistemas cuánticos y el colapso de la función ondulatoria— nos abren la puerta a muchos otros desafíos interpretativos. Por ejemplo, hemos hablado de medir las propiedades de los sistemas cuánticos, pero ¿qué es una medición? ¿Es necesario que un ser vivo observe el resultado de la medición? ¿Dónde está el límite que separa la física clásica de la física cuántica? ¿Es realmente el colapso instantáneo o es una transformación que sigue unas reglas que no conocemos? La función de onda es el objeto físico real? ¿O simplemente una herramienta matemática? Como digo, muchas preguntas.

Y muchas respuestas. Este artículo se ha basado en una interpretación estándar de la mecánica cuántica, en lo que llamamos de Copenhague. Sin embargo, para responder a las preguntas que hemos planteado, han surgido infinidad de interpretaciones alternativas^[5]. Por el momento, todas las propuestas hacen las mismas predicciones, por lo que no hay forma empírica para preferir una u otra. La discusión de la interpretación de la cuántica es actualmente metafísica. El ámbito de la Física es distinto, es decir, el desarrollo de modelos matemáticos que permiten hacer predicciones. Y esto, aunque sea probabilísticamente, lo hace perfectamente la mecánica cuántica. ¿Por qué, entonces, insistir en buscar una interpretación?

Por un lado, podríamos hablar de la apropiación indebida que sufre la mecánica cuántica^[6]. Sí, la teoría tiene características que van en contra de la intuición esculpida en nuestros cerebros a lo largo de los siglos, lo que le ha atribuido un aura misteriosa. Y sí, siendo la base de muchas tecnologías punteras, la teoría también tiene una imagen prestigiosa en la sociedad. Sin embargo, la utilización del prestigio de la mecánica cuántica para mejorar la imagen de los productos de venta ajenos a la teoría no es justa. Lo que es más grave, el nombre de la cuántica se ha utilizado también en la búsqueda de la legitimidad de las prácticas pseudocientíficas y las pseiterapías. Ante esta situación, la comunidad científica debe conseguir articular una narración accesible y rigurosa de lo que es y no es la mecánica cuántica, para lo cual sería útil llegar a un consenso en torno a la interpretación de la teoría.

Sin embargo, la razón principal para buscar una explicación sobre lo que la mecánica cuántica dice sobre la naturaleza de la naturaleza y de la realidad, la más profunda, que de por sí da sentido a esta práctica, es el deseo de saciar la pura curiosidad, fugaz de la ciencia. Nada más. En las bellas palabras de Xabier Lete, el trabajo de los seres humanos es saber, cambiar de conocimiento... Buscamos actuar, perseverar en ese empeño, la norma y la luz. Tenemos la norma. Nos falta encontrar la luz.

Bibliografía

[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 Quantum mechanics: Fixing the shifty split. Physics Today 1 julio 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. Cabello Interpretations of Quantum Theory: A Map. What is quantum information? (2017) 138.

[6] Sabín, C. (2020) Verdades y mentiras de la física cuántica, ed. CSIC.