Texto redactado en euskara e traducido automaticamente por Elia e sen posterior revisión. VER ORIXINAL

Norma e luz

Que significa existir? Que di a teoría que explica o comportamento fundamental da natureza acerca da natureza da realidade? Este tema foi fonte dun ardente debate dun século. Neste artigo penetrámonos no reto de interpretar a mecánica cuántica en auga infestada de preguntas profundas e incómodas.

Ander Tobalina Novo

Unha árbore cae nun solitario bosque sen ningún ser ao seu ao redor. Fai ruído a árbore ao caer? Dúas respostas posibles: si ou non. O primeiro texto en recibir esta pregunta deu unha resposta negativa^[1]. Nela explicábase que o son é a sensación que perciben os nosos oídos, polo que se argumentaba que en ausencia de seres con orellas non se produce ruído. Doutra banda, a pregunta que fixen aos da cuadrilla, cando estabamos na voda dun de nós, e un amigo defendeu contundentemente a resposta afirmativa. Explicoume que, debido á onda na que o son se propaga polo aire, hai ruído aínda que non haxa seres con oídos. Quen ten razón? Pois os dous e ninguén.

Estas respostas contraditorias son mostra de dous marcos filosóficos opostos para comprender a natureza da realidade. Que significa existir, despois de todo? A resposta negativa ten unha visión subxectiva idealista, pois condiciona a existencia do son á súa percepción. En cambio, a resposta afirmativa, ao recoñecer que o son existe independentemente respecto dos seres, adopta un punto de vista realista.

A física desenvolvida desde o Renacemento até o século XX, hoxe chamada física clásica, baseábase nunha comprensión realista da natureza. Existe unha realidade obxectiva independente da percepción, e o propósito da ciencia é explicar esta realidade. Para iso utilizamos magnitudes físicas: posición, tempo, enerxía, etc., que son as que expresan, en definitiva, a realidade do mundo. Ademais, a evolución destas propiedades é determinista e reversible. É dicir, coñecendo o valor inicial dunha magnitude e as condicións da súa evolución podemos predicir todos os valores seguintes. Tamén o contrario: coñecendo as condicións da evolución e o seu resultado, podemos deducir todos os valores anteriores. Así é como se entendía o mundo á volta do século XX.

si fixésemos a un científico occidental a pregunta que comezou este artigo en 1900, daría sen dúbida a mesma resposta que o meu amigo. A árbore, a súa altura, o seu peso… son reais, existen, incluso o son que fai ao caer, aínda que ninguén o escoite. Con todo, en 1950, mentres paseaban polos arredores do Institute for Advanced Study de Princeton, dous físicos de renome estableceron este diálogo^[2]:

—De verdade cres que a lúa só existe mentres a vemos?

— XX. os físicos subordinados, por suposto, non podemos dar unha resposta definitiva a esta pregunta.

A resposta do segundo físico representa un profundo cambio de paradigma. Por que? Pois ben, a principios do século XX desenvolveuse a mecánica cuántica e con ela apareceron gretas no realismo sobre o que se baseou a ciencia. E preguntas. Moitas preguntas.

A mecánica cuántica, dejémosla clara, é o instrumento predictivo máis preciso que os seres humanos habemos desenvolvido. En todos os experimentos realizados desde a orixe da teoría, mesmo nas condicións máis extremas imaxinables, os resultados obtidos coinciden cos preditos pola mecánica cuántica. Sempre. O formalismo matemático da teoría é sólido, non hai dúbida nel. En cambio, levamos un século de debate sobre o que este formalismo dinos sobre o mundo e a natureza da realidade. Por que?

O reto de interpretar a mecánica cuántica baséase nunha parte fundamental^[3] que separa o formalismo matemático da teoría da realidade cotiá dos seres humanos. Imos aclarar isto. Tomemos dous sistemas, un clásico, como un balón, e outro cuántico, como un átomo, e examinemos algunha magnitude física destes sistemas, como a posición. Respecto ao balón, determinaremos a súa posición mediante a aplicación de coordenadas baseadas nun sistema de referencia. Neste caso, só unha cousa, o conxunto de coordenadas, expresa simultaneamente o estado do sistema (o obxecto matemático que usamos para describir a posición) e a propiedade física do sistema (o resultado que obteremos ao medir a posición).

Probablemente, a separación entre estado e magnitude física parecerá un pouco confusa para a maioría, estamos tan afeitos pensar que son o mesmo. En definitiva, así sucede na física clásica que regula o noso día a día. Na física cuántica, pola contra, o obxecto co que expresamos o estado dun sistema (formalismo matemático) non coincide co resultado (realidade) que obteremos ao medir unha propiedade física do sistema. Aquí está a parte esencial! O estado do átomo exprésase mediante un obxecto matemático abstracto: a función de onda. Isto non determina directamente a posición do átomo. Pola contra, dá a probabilidade de atopar o átomo nunha ou outra posición. Podemos repetir moitas veces a mesma medición e veremos que as probabilidades se cumpren, pero se observamos un ensaio individual, non podemos predicir o resultado.

Na defensa da intuición diaria, que nos di que a posición ten un valor exacto, podemos pensar que estas probabilidades son un reflexo da nosa ignorancia. A dinámica do sistema é simplemente demasiado complexa e a función de onda non é capaz de describir o proceso na súa totalidade. Detrás están as variables ocultas e, si coñecemos o seu valor e dinámica, poderiamos predicir exactamente a posición do átomo. Si esta idea crea un acougo intelectual en alguén, trae malas noticias.

Ao parecer, os experimentos que valeron o Premio Nobel de Física 2022 suxiren que^[4] non existen talles variables latentes. O carácter probabilístico é unha característica intrínseca da natureza. Non é, por tanto, que ao medir unha propiedade non poidamos predicir o resultado que obteremos; non, a propiedade en si non está definida antes da medición. Que significa iso? Que antes de medir as cousas non existen? Entón, a velocidade da árbore que está a piques de caer, existe si alguén non o mide? E a onda de presión xerada no aire ao caer, existe si ninguén a percibe? Por suposto, as árbores, como os gatos, non son sistemas cuánticos, por tanto non ten sentido atribuír características cuánticas, pero enténdense as gretas provocadas pola mecánica cuántica no pensamento realista, non?

O rango fundamental no que se basea a mecánica cuántica non só afecto aos resultados das medicións de propiedades físicas, senón tamén á evolución dos sistemas. Como xa se mencionou, o estado dun sistema cuántico exprésase por medio da función de onda e a mecánica cuántica describe a evolución da función de onda. Esta evolución é determinista e reversible. Equivalente á Física clásica; nada especial até aquí. O problema xorde cando se mide. Segundo a teoría, ao medir unha propiedade do sistema, a función de onda cambia bruscamente a un estado asociado co resultado da medición, a un estado guiado pola probabilidade. Isto coñécese como colapso da función ondulatoria, que impide o determinismo e a reversibilidad que sustentan a ciencia. Lembra que, na física clásica, sabendo o estado dun sistema e as condicións da súa evolución, podemos coñecer todas as situacións anteriores e posteriores. Con todo, nun mundo rexido pola mecánica cuántica, como deducir situacións anteriores si o sistema seguiu unha dinámica guiada pola probabilidade? Ou como predicir a evolución dun sistema, incluso coñecendo a situación actual e todas as condicións da evolución, si esta evolución está regulada por leis de probabilidade? Neste contexto, ten algún sentido científico preguntarnos de onde vimos ou onde imos?

Os dous temas citados —a indeterminación intrínseca das propiedades dos sistemas cuánticos e o colapso da función ondulatoria— ábrennos a porta a moitos outros desafíos interpretativos. Por exemplo, falamos de medir as propiedades dos sistemas cuánticos, pero que é unha medición? É necesario que un ser vivo observe o resultado da medición? Onde está o límite que separa a física clásica da física cuántica? É realmente o colapso instantáneo ou é unha transformación que segue unhas regras que non coñecemos? A función de onda é o obxecto físico real? Ou simplemente unha ferramenta matemática? Como digo, moitas preguntas.

E moitas respostas. Este artigo baseouse nunha interpretación estándar da mecánica cuántica, no que chamamos de Copenhague. Con todo, para responder as preguntas que expuxemos, xurdiron infinidade de interpretacións alternativas^[5]. Polo momento, todas as propostas fan as mesmas predicións, polo que non hai forma empírica para preferir unha ou outra. A discusión da interpretación da cuántica é actualmente metafísica. O ámbito da Física é distinto, é dicir, o desenvolvemento de modelos matemáticos que permiten facer predicións. E isto, aínda que sexa probabilísticamente, faio perfectamente a mecánica cuántica. Por que, entón, insistir en buscar unha interpretación?

Por unha banda, poderiamos falar da apropiación indebida que sofre a mecánica cuántica^[6]. Si, a teoría ten características que van en contra da intuición esculpida nos nosos cerebros ao longo dos séculos, o que lle atribuíu unha aura misteriosa. E si, sendo a base de moitas tecnoloxías punteiras, a teoría tamén ten unha imaxe prestixiosa na sociedade. Con todo, a utilización do prestixio da mecánica cuántica para mellorar a imaxe dos produtos de venda alleos á teoría non é xusta. O que é máis grave, o nome da cuántica utilizouse tamén na procura da lexitimidade das prácticas pseudocientíficas e as pseiterapías. Ante esta situación, a comunidade científica debe conseguir articular unha narración accesible e rigorosa do que é e non é a mecánica cuántica, para o que sería útil chegar a un consenso ao redor da interpretación da teoría.

Con todo, a razón principal para buscar unha explicación sobre o que a mecánica cuántica di sobre a natureza da natureza e da realidade, a máis profunda, que de seu dá sentido a esta práctica, é o desexo de saciar a pura curiosidade, fugaz da ciencia. Nada máis. Nas belas palabras de Xabier Lete, o traballo dos seres humanos é saber, cambiar de coñecemento... Buscamos actuar, perseverar nese empeño, a norma e a luz. Temos a norma. Fáltanos atopar a 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 xullo 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. Cabelo Interpretations of Quantum Theory: A Map. What is quantum information? (2017) 138.

[6] Sabín, C. (2020) Verdades e mentiras da física cuántica, ed. CSIC.