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El rompecabezas de la realidad cuántica

El rompecabezas de la realidad cuántica
Hay un agujero en el corazón de la física cuántica. Crédito de la imagen: Pasieka / Getty Images / Science Photo Library RF

Por Adam Becker, para npr 20 de marzo de 2018



Es un hoyo profundo. Sin embargo, no es un agujero que impide que la teoría funcione. La física cuántica es, en cualquier medida, asombrosamente exitosa. Es la teoría que respalda casi toda la tecnología moderna, desde los chips de silicio enterrados en su teléfono hasta los LED en su pantalla, desde los corazones nucleares de las sondas espaciales más distantes hasta los láseres en el escáner de caja de supermercado. Explica por qué brilla el sol y cómo pueden ver tus ojos. La física cuántica funciona.

Sin embargo, el agujero permanece: a pesar del gran éxito de la teoría, no entendemos realmente lo que dice sobre el mundo que nos rodea. Las matemáticas de la teoría hacen predicciones increíblemente precisas sobre los resultados de los experimentos y los fenómenos naturales. Para hacer eso tan bien, la teoría debe haber captado alguna verdad esencial y profunda sobre la naturaleza del mundo que nos rodea. Sin embargo, hay un gran desacuerdo sobre lo que dice la teoría sobre la realidad, o incluso si dice algo al respecto.

Incluso las cosas más simples posibles se vuelven difíciles de descifrar en la física cuántica. Digamos que desea describir la posición de un solo objeto diminuto: la ubicación de solo un electrón, la partícula subatómica más simple que conocemos. Hay tres dimensiones, por lo que puedes esperar que necesites tres números para describir la ubicación del electrón. Esto es cierto en la vida cotidiana: si quieres saber dónde estoy, debes conocer mi latitud, mi longitud y lo alto que estoy sobre la tierra. Pero en la física cuántica, resulta que tres números no son suficientes. En cambio, necesitas una infinidad de números, dispersos en todo el espacio, solo para describir la posición de un solo electrón.

Esta colección infinita de números se denomina "función de onda", porque estos números dispersos por el espacio generalmente cambian suavemente, ondulando como una ola. Hay una bella ecuación que describe cómo las funciones de onda ondean a través del espacio, llamada ecuación de Schrödinger (según Erwin Schrödinger, el físico austriaco que la descubrió por primera vez en 1925). Las funciones de onda obedecen mayormente a la ecuación de Schrödinger de la misma manera que una roca que cae obedece las leyes de movimiento de Newton: es algo así como una ley de la naturaleza. Y a medida que las leyes de la naturaleza van, es bastante simple, aunque puede parecer matemáticamente prohibitivo al principio.

Sin embargo, a pesar de la simplicidad y la belleza de la ecuación de Schrödinger, las funciones de onda son bastante extrañas. ¿Por qué necesitarías tanta información, una infinidad de números diseminados por todo el espacio, solo para describir la posición de un solo objeto? Tal vez esto significa que el electrón está difuminado de alguna manera. Pero como resultado, eso no es verdad. Cuando realmente buscas el electrón, aparece en un solo lugar. Y cuando encuentras el electrón, sucede algo aún más extraño: la función de onda del electrón deja de obedecer temporalmente la ecuación de Schrödinger. En cambio, "colapsa", con toda su infinidad de números girando a cero, excepto en el lugar donde encontraste el electrón.

Entonces, ¿qué son las funciones de onda? ¿Y por qué a veces solo obedecen la ecuación de Schrödinger? Específicamente, ¿por qué solo obedecen la ecuación de Schrödinger cuando nadie está mirando? Estas preguntas sin respuesta circunscriben el agujero en el corazón de la física cuántica. La última pregunta, en particular, es bastante notoria de que se le ha dado un nombre especial: el "problema de medición".

El problema de la medición parece que debería detener la física cuántica en sus pistas. ¿Qué significa "mirar" o "medir"? No hay una respuesta generalmente aceptada para esto. Y eso significa, a su vez, que no sabemos realmente cuándo se aplica la ecuación de Schrödinger y cuándo no. Y si no lo sabemos, si no sabemos cuándo usar esta ley y cuándo dejarla de lado, ¿cómo podemos utilizar la teoría?

La respuesta pragmática es que cuando los físicos hacemos física cuántica, tendemos a pensar en ella solo como la física de lo ultrapequeño. Por lo general, suponemos que la ecuación de Schrödinger no se aplica realmente a objetos suficientemente grandes: objetos como mesas y sillas y humanos, las cosas en nuestra vida cotidiana. En cambio, como cuestión práctica, suponemos que esos objetos obedecen a la física clásica de Isaac Newton, y que la ecuación de Schrödinger deja de aplicarse cuando uno de estos objetos interactúa con algo del mundo cuántico de lo pequeño. Esto funciona lo suficientemente bien como para obtener la respuesta correcta en la mayoría de los casos. Pero casi ningún físico realmente cree que así es como funciona realmente el mundo. Los experimentos de las últimas décadas han demostrado que la física cuántica se aplica a objetos cada vez más grandes, y en este momento pocos dudan de que se aplique a objetos de todos los tamaños. De hecho, la física cuántica se usa rutinaria y exitosamente para describir lo más grande que existe, el universo mismo, en el campo bien establecido de la cosmología física.

Pero si la física cuántica realmente se aplica en todas las escalas, ¿cuál es la verdadera respuesta al problema de medición? ¿Qué está sucediendo realmente en el mundo cuántico? Históricamente, la respuesta estándar fue decir que no hay problema de medición, porque no tiene sentido preguntar qué sucede cuando nadie mira. Las cosas que suceden cuando nadie mira son inobservables, y no tiene sentido hablar de cosas inobservables. Esta posición se conoce como la "interpretación de Copenhague" de la física cuántica, después del hogar del gran físico danés Niels Bohr. Bohr fue el padrino de la física cuántica y la fuerza principal detrás de la interpretación de Copenhague.

A pesar de su estado histórico como respuesta predeterminada a estas preguntas cuánticas, la interpretación de Copenhague es inadecuada. No dice nada sobre lo que está sucediendo en el mundo de la física cuántica. En su obstinado silencio sobre la naturaleza de la realidad, no ofrece ninguna explicación de por qué la física cuántica funciona en absoluto, ya que no puede señalar ninguna característica del mundo que se asemeje a las estructuras matemáticas en el corazón de la teoría. No hay razones lógicas o filosóficas convincentes para declarar cosas inobservables sin sentido. Y la palabra "no observable" no está mucho mejor definida que la palabra "medición" de todos modos. Decir que las cosas inobservables carecen de sentido no es solo una posición tonta, sino vaga. Esa vaguedad ha plagado la interpretación de Copenhague desde el principio; hoy, la "interpretación de Copenhague" se ha convertido en una etiqueta colectiva para varias ideas mutuamente contradictorias sobre la física cuántica.

A pesar de esta serie de problemas, la interpretación de Copenhague fue predominantemente dominante dentro de la comunidad de la física durante gran parte del siglo XX, porque permitió a los físicos realizar cálculos precisos sin preocuparse por las preguntas espinosas en el corazón de la teoría. Pero en los últimos 30 años, el apoyo a la interpretación de Copenhague se ha erosionado. Muchos físicos siguen expresando su apoyo -las encuestas sugieren que una pluralidad o la mayoría de los físicos se suscriben-, pero hay alternativas en vivo que ahora cuentan con un apoyo significativo.

La mejor conocida de estas alternativas es la interpretación de "muchos mundos" de la física cuántica, que establece que la ecuación de Schrödinger siempre se aplica y que las funciones de onda nunca colapsan. En cambio, el universo se divide continuamente, y cada resultado posible de cada evento ocurre en algún lugar del "multiverso". Otra alternativa, la teoría de ondas piloto, establece que las partículas cuánticas son guiadas en sus movimientos por las ondas y que las partículas a su vez pueden ejercer influencias más rápidas que la luz sobre las ondas lejanas (aunque esto no puede usarse para enviar energía o señales Más rapido que la luz).

Estas dos ideas ofrecen dos descripciones muy diferentes de la realidad, pero ambas se alinean perfectamente con las matemáticas de la mecánica cuántica tal como la conocemos. También hay teorías alternativas que modifican las matemáticas de la física cuántica, como las teorías del colapso espontáneo, que sugieren que el colapso de la función de onda no tiene nada que ver con la medición, sino que es un proceso natural que ocurre completamente al azar.

Hay muchas, muchas otras alternativas. Fundamentos cuánticos, el campo que se ocupa de resolver el problema de medición y las otras preguntas básicas de la teoría cuántica, es un tema animado lleno de ideas creativas. El agujero en el corazón de la física cuántica sigue ahí, todavía hay un problema abierto que necesita solución, pero hay muchas teorías fascinantes que se han propuesto para resolver estos problemas. Estas ideas también podrían indicar el camino a seguir en otros problemas de la física, como la teoría de la gravedad cuántica, la "teoría del todo" que ha sido el objetivo final de los físicos desde Albert Einstein.

Si eso sucederá aún está por verse. Pero los problemas tapados por la interpretación de Copenhague durante tanto tiempo finalmente están recibiendo la atención que merecen. Y la fontanería de las profundidades del agujero cuántico puede arrojar una perspectiva completamente nueva, no solo en el mundo del cuanto, sino también en la naturaleza de la realidad misma.


Adam Becker es el autor de What Is Real?: The Unfinished Quest For The Meaning Of Quantum Physics; ¿Qué es real ?: La búsqueda inconclusa del significado de la física cuántica, publicada el 20 de marzo. Es investigador visitante en la Oficina de Historia de la Ciencia y la Tecnología de la Universidad de California en Berkeley. Becker tiene un doctorado en astrofísica de la Universidad de Michigan y una licenciatura en filosofía y física de Cornell.

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