El problema de la mecánica cuántica
El debate sobre su interpretación sigue ocupando a los físicos. ¿Es necesario modificar la teoría?
La mecánica cuántica predice la probabilidad de encontrar un resultado u otro en un experimento. Sin embargo, la evolución de la función de onda queda gobernada por una ecuación determinista. ¿De dónde surgen entonces las probabilidades?
La postura instrumentalista, heredera de la interpretación de Copenhague, postula que la función de onda no es más que una mera herramienta para calcular probabilidades. Ello impide una formulación de las leyes físicas ajena al observador.
La postura realista interpreta la función de onda como una descripción fidedigna de la realidad. Sin embargo, eso parece implicar la existencia de muchos universos, así como la de algunos aspectos no locales de la realidad.
Tales problemas podrían estar indicando la necesidad de modificar las ecuaciones de la mecánica cuántica. Las leyes más generales para describir la evolución relativista de las probabilidades permiten, en principio, dichas modificaciones.
[Este artículo forma parte de la serie «La interpretación de la mecánica cuántica». Fue publicado originalmente en The New York Review of Books bajo el título «The trouble with quantum mechanics».]
El desarrollo de la mecánica cuántica, en las primeras décadas del siglo XX, supuso una conmoción para muchos físicos. Hoy, a pesar de sus numerosos éxitos, continúa el debate sobre su significado y sobre su futuro.
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La primera sorpresa llegó en forma de desafío para las nítidas categorías a las que se habían acostumbrado los físicos hacia el año 1900. Había partículas (átomos, electrones y núcleos) y campos (condiciones del espacio que impregnaban aquellas zonas en las que se ejercían fuerzas eléctricas, magnéticas o gravitatorias). Las ondas de luz se interpretaban con claridad como oscilaciones autosostenidas de campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, para entender ciertas propiedades de la luz emitida por los cuerpos calientes, Albert Einstein encontró en 1905 que las ondas de luz debían describirse como una corriente de partículas sin masa, más tarde llamadas fotones.
En los años veinte, según las teorías desarrolladas por Louis de Broglie y Erwin Schrödinger, parecía que los electrones, a los que siempre se había considerado partículas, se comportaban en ocasiones como ondas. Para poder explicar las energías de los estados estables de los átomos, los físicos tuvieron que abandonar la idea de que los electrones actuaban como pequeños planetas newtonianos en órbita alrededor del núcleo. Un electrón en un átomo quedaba mucho mejor descrito en términos de ondas, las cuales se acomodaban en torno al núcleo de modo análogo a como las ondas sonoras se adecúan a la longitud del tubo de un órgano (un fenómeno que solo permite que aparezcan ciertas notas o, en el caso del átomo, limita las energías posibles de los estados). Las distintas categorías del mundo habían quedado mezcladas de manera irremediable.
Peor aún: las ondas de los electrones no eran ondas de materia electrónica, al modo en que las olas del océano son ondas de agua. Antes bien, como advirtiera Max Born, la onda del electrón es una onda de probabilidad. Cuando un electrón choca contra un átomo, resulta imposible predecir en qué dirección rebotará. Tras el encuentro, la onda correspondiente se dispersa en todas direcciones, al igual que ocurre con una ola en un arrecife. Pero, como comprendió Born, eso no quiere decir que el electrón en sí se esparza. Tomará una dirección bien definida, pero no una que podamos predecir. Resulta más probable que rebote en una dirección en la que la onda es más intensa, pero cualquier dirección es posible.
La probabilidad no era algo ajeno a los físicos de los años veinte. No obstante, se pensaba que esta simplemente reflejaba un conocimiento incompleto del sistema bajo estudio, no un indeterminismo intrínseco a las leyes de la física. Las teorías de Newton sobre el movimiento y la gravitación habían establecido el estándar de las leyes deterministas: si conocemos razonablemente bien la posición y la velocidad de cada uno de los cuerpos del sistema solar en un momento dado, las leyes de Newton nos permitirán determinar con buena precisión dónde se encontrarán todos ellos mucho tiempo después. En la física newtoniana, la probabilidad solo aparece cuando nuestro conocimiento es imperfecto; como, por ejemplo, cuando ignoramos los detalles del lanzamiento de un dado- Cuanto más comprensible parece el universo, tanto más sin sentido parece también”. ...
- El esfuerzo para comprender el universo es una de las pocas cosas que eleva la vida humana por encima del nivel de la farsa y le imprime algo de la elevación de la tragedia.
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Steven Weinberg, uno de los grandes nombres de la Física de este siglo, murió el pasado 23 de julio en su residencia de Austin, Texas, a la edad de 88 años. Allí, en Austin, en cuya Universidad fue profesor de física y astronomía desde la pasada década de los 80, el físico pasó la mayor parte de su vida. Nacido en Nueva York en 1933, al principio de su carrera Weinberg fue investigador en las universidades de Columbia, California en Berkeley, Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Científico agudo y excelente divulgador, sin él nuestra comprensión de la naturaleza íntima de la realidad no sería ni sombra de lo que es. Su trabajo resultó de excepcional importancia para consolidar el Modelo Estándar de la Física de Partículas, la gran teoría que describe una a una las diminutas piezas de las que está hecha la realidad y las cuatro grandes fuerzas que las gobiernan (electromagnetismo, gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil).
Entre sus colegas, gozó siempre de un enorme prestigio y respeto. De hecho, muchos le consideran como uno de los mejores pensadores que ha dado la ciencia en más de cien años. En 1979, Weinberg fue galardonado con el Nobel de Física (junto a Abdus Salam y Sheldon Lee Glashow) por ayudar a los físicos a unificar dos de esas cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. El electromagnetismo y la fuerza nuclear débil (responsable de la desintegración radiactiva de los átomos) son, en efecto, tal y como supuso Weinberg, manifestaciones diferentes de una única fuerza 'electrodébil'. Esa fue su mayor aportación al Modelo Estándar, una teoría tan exitosa a la hora de explicar los resultados experimentales que ha servido de guía a los físicos de todo el mundo durante más de medio siglo.
«Cuanto más comprensible parece el Universo –dijo Weinberg en una ocasión– menos sentido parece tener». Con su mítico libro 'Los tres primeros minutos del Universo', publicado en 1977, consiguió acercar al gran público los más difíciles conceptos de la Física. Quien lo haya leído habrá descubierto un mundo fascinante, vibrante, oculto y fundamental, la historia del 'todo', desde el momento mismo del Big Bang hasta unos pocos minutos después, toda una eternidad durante la que el Universo fue adquiriendo las características que conocemos y que hicieron posible que se convirtiera en lo que es en la actualidad. «El profesor Weinberg –ha dicho Jay Hartzell, presidente de la Universidad de Texas– desveló los misterios del Universo para millones de personas, enriqueciendo el concepto de naturaleza de la humanidad y nuestra relación con el mundo».
En otra de sus obras, 'Sueños de una teoría final', publicada en 1992, Weinberg mostraba sus esperanzas de que la física estuviera cerca de encontrar una única gran teoría capaz de explicar por completo la realidad, desde lo más grande a lo más pequeño. Una teoría que logre unificar las predicciones contradictorias de la relatividad y la Mecánica Cuántica, ambas acertadas pero incompatibles entre sí. Weinberg sabía que él no estaría presente para verlo, e incluso se planteó la posibilidad que nadie vería nunca esa teoría. «Es posible que los humanos no sean lo suficientemente inteligentes –dejó escrito en su libro 'Para explicar el mundo', en 2015– como para comprender las leyes realmente fundamentales de la física».
A lo largo de su vida, Weinberg también buscó, junto a otros muchos, la forma de completar el Modelo Estándar con la última de las fuerzas de la Naturaleza que aún se nos resiste: la gravedad. Nadie aún, en efecto, ha conseguido 'cuantificar' la gravedad, averiguar si, como en el resto de las fuerzas de la Naturaleza, también existe una partícula (un cuanto, llamado 'gravitón') que transporte la unidad mínima de la fuerza gravitatoria. «El esfuerzo para comprender el Universo, dijo en cierta ocasión, es una de las pocas cosas que eleva la vida humana por encima del nivel de la farsa y le imprime algo de la elevación de la tragedia».
Apasionado por la filosofía y la Historia de la Ciencia, Weinberg declaró su ateísmo en numerosas ocasiones: «La ciencia no hace imposible creer en Dios, solo hace posible no creer en Dios». Pero entre sus frases más célebres a este respecto, sin duda la más citada es esta: «Sin religión, habría gente buena haciendo el bien y gente mala haciendo el mal, pero para que gente buena haga el mal, se necesita la religión».
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