Por qué ni siquiera los físicos comprenden el misterio de la mecánica cuántica
Ciencia
Por: Luis Alberto Hara - 10/02/2024
Por: Luis Alberto Hara - 10/02/2024
"Creo que puedo decir con seguridad que nadie realmente entiende la mecánica cuántica," observó el físico y laureado con el Nobel Richard Feynman. Y no es sorprendente, hasta cierto punto. La ciencia avanza enfrentándose a nuestra falta de comprensión, y la mecánica cuántica tiene fama de ser especialmente misteriosa.
Lo sorprendente es que los físicos parecen estar bien con no entender la teoría más importante que tienen y una teoría que postula cosas radicalmente transformadoras sobre el mundo en el que vivimos.
Sean Carroll, un destacado físico teórico pone en entredicho este misterio en un artículo en el New York Times. La mecánica cuántica, ensamblada gradualmente por un grupo de mentes brillantes durante las primeras décadas del siglo XX, es una teoría increíblemente exitosa. La necesitamos para explicar cómo los átomos se desintegran, por qué brillan las estrellas, cómo funcionan los transistores y los láseres, y, de hecho, por qué las mesas y las sillas son sólidas en lugar de colapsar inmediatamente en el suelo.
Los científicos pueden usar la mecánica cuántica con total confianza. Pero es una caja negra. Podemos configurar una situación física y hacer predicciones sobre lo que sucederá después que se verifican con una precisión espectacular. Lo que no hacemos es reclamar que entendemos la mecánica cuántica. Los físicos no entienden su propia teoría mejor de lo que un usuario promedio de teléfonos inteligentes entiende lo que sucede dentro del dispositivo.
Hay dos problemas. Uno es que la mecánica cuántica, tal como está consagrada en los libros de texto, parece requerir reglas separadas para cómo se comportan los objetos cuánticos cuando no los estamos observando, y cómo se comportan cuando los estamos observando. Cuando no los observamos, existen en “superposiciones” de diferentes posibilidades, como estar en cualquiera de varias ubicaciones en el espacio. Pero cuando los observamos, de repente se fijan en una sola ubicación, y es ahí donde los vemos. No podemos predecir exactamente cuál será esa ubicación; lo mejor que podemos hacer es calcular la probabilidad de diferentes resultados.
Todo esto es absurdo. ¿Por qué son especiales las observaciones? ¿Qué cuenta como una "observación", de todos modos? ¿Cuándo exactamente ocurre? ¿Necesita ser realizada por una persona? ¿Está la conciencia de alguna manera involucrada en las reglas básicas de la realidad? Juntas, estas preguntas son conocidas como el “problema de la medición” de la teoría cuántica.
El otro problema es que no estamos de acuerdo en qué es lo que la teoría cuántica realmente describe, incluso cuando no estamos realizando mediciones. Describimos un objeto cuántico como un electrón en términos de una "función de onda", que recopila la superposición de todos los posibles resultados de medición en un solo objeto matemático. Cuando no se observan, las funciones de onda evolucionan de acuerdo con una famosa ecuación escrita por Erwin Schrödinger.
Pero, ¿qué es la función de onda? ¿Es una representación completa y exhaustiva del mundo? ¿O necesitamos cantidades físicas adicionales para capturar completamente la realidad, como sospechaban Albert Einstein y otros? ¿O la función de onda no tiene ninguna conexión directa con la realidad, caracterizando simplemente nuestra ignorancia personal sobre lo que eventualmente mediremos en nuestros experimentos?
Hasta que los físicos no respondan definitivamente a estas preguntas, no se puede decir que realmente entienden la mecánica cuántica, lo que provoca el lamento de Feynman. Lo cual es grave, porque la mecánica cuántica es la teoría más fundamental que tenemos, situada en el centro de todo intento serio de formular leyes profundas de la naturaleza. Si nadie entiende la mecánica cuántica, nadie entiende el universo.
Uno pensaría naturalmente, entonces, que entender la mecánica cuántica sería la máxima prioridad entre los físicos en todo el mundo. Investigar las bases de la teoría cuántica debería ser una especialidad glamorosa dentro del campo, atrayendo a las mentes más brillantes, los salarios más altos y los premios más prestigiosos. Imaginarías que los físicos no escatimarían en esfuerzos hasta que comprendieran realmente la mecánica cuántica.
La realidad es exactamente al revés. Pocos departamentos de física modernos tienen investigadores que trabajen para comprender las bases de la teoría cuántica. Por el contrario, a los estudiantes que muestran interés en el tema se les dirige con firmeza —a veces no tan suavemente— hacia otras áreas, a menudo con la admonición de “¡Cállate y calcula!” Los profesores que se interesan en ello podrían ver cómo se les seca el dinero de las becas, mientras sus colegas se lamentan de que han perdido interés en el trabajo serio.
Esta ha sido la situación desde la década de 1930, cuando los físicos decidieron colectivamente que lo importante no era entender la mecánica cuántica en sí, sino usar un conjunto de reglas cuánticas ad hoc para construir modelos de partículas y materiales. El primer esfuerzo llegó a ser considerado vagamente filosófico y de mala reputación. Uno recuerda al zorro de Esopo, quien decidió que las uvas que no podía alcanzar probablemente estaban agrias, y que no las quería de todas maneras. Los físicos formados en el sistema moderno te mirarán a los ojos y explicarán con toda sinceridad que no están realmente interesados en entender cómo funciona la naturaleza; solo quieren predecir con éxito los resultados de los experimentos.
Esta actitud se remonta al inicio de la teoría cuántica moderna. En la década de 1920 hubo una serie de famosos debates entre Einstein y Niels Bohr, uno de los fundadores de la teoría cuántica. Einstein argumentaba que las versiones contemporáneas de la teoría cuántica no alcanzaban el nivel de una teoría física completa, y que deberíamos tratar de profundizar más. Pero Bohr pensaba lo contrario, insistiendo en que todo estaba en perfecto estado. Mucho más colaborador en el ámbito académico y más persuasivo retóricamente que Einstein, Bohr obtuvo una victoria decisiva, al menos en la batalla de relaciones públicas.
No todos estaban contentos con que prevaleciera la visión de Bohr, pero estos individuos típicamente se encontraban marginados o alejados del campo. En la década de 1950, el físico David Bohm, alentado por Einstein, propuso una forma ingeniosa de aumentar la teoría cuántica tradicional para resolver el problema de la medición. Werner Heisenberg, uno de los pioneros de la mecánica cuántica, respondió calificando la teoría como "una superestructura ideológica superflua", y el ex mentor de Bohm, Robert Oppenheimer, resopló: "Si no podemos refutar a Bohm, entonces debemos acordar ignorarlo."
Alrededor del mismo tiempo, un estudiante de posgrado llamado Hugh Everett inventó la teoría de los “muchos mundos”, otro intento de resolver el problema de la medición, solo para ser ridiculizado por los defensores de Bohr. Everett ni siquiera intentó permanecer en la academia, dedicándose al análisis de defensa después de graduarse.
La mecánica cuántica sigue siendo una teoría de inmenso poder práctico, pero con poca profundidad explicativa sobre la naturaleza misma de la realidad. Como señalan Sean Carroll y otros, esta falta de comprensión no debe tomarse a la ligera. Los famosos debates entre Niels Bohr y Albert Einstein sobre si la mecánica cuántica era una descripción completa de la realidad aún resuenan hoy. Einstein nunca estuvo satisfecho con el indeterminismo de la teoría, afirmando célebremente que "Dios no juega a los dados con el universo". Bohr, por otro lado, estaba conforme con la naturaleza probabilística de los eventos cuánticos.
Aunque Bohr pudo haber ganado la batalla inicial, Carroll y otros físicos modernos sugieren que la intuición de Einstein —que la teoría cuántica está incompleta— podría aún resultar correcta. Si realmente queremos entender el universo, la mecánica cuántica no puede seguir siendo una caja negra que simplemente produce predicciones correctas. El reto ahora es para físicos, filósofos y teóricos por igual: profundizar, repensar los fundamentos de la teoría cuántica y enfrentar las lagunas en nuestra comprensión.
