Editorial argos vergara, S. A. Barcelona




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A EINSTEIN NO LE GUSTA

La mecánica cuántica no es el tipo de mecánica que se usa en el garaje del señor Cuanto para reparar los automóviles. La mecánica cuántica es una rama de la física. La física se divide en varias ramas. La mayor parte de los físicos opinan que pronto se construirá un compendio lo suficientemente amplio como para incluirlas a todas.

De acuerdo con ese punto de vista es posible que logremos desarrollar, en principio, una teoría capaz de explicarlo todo tan perfectamente que no quedará nada más que explicar. Eso no quiere decir, desde luego, que nuestra explicación refleje necesariamente las cosas tal y como son en la actualidad. Seguiremos sin estar en condiciones de poder abrir el reloj, como expresó Einstein, pero cualquier suceso ocurrido en el mundo real (dentro del reloj) se considerara como causa de su correspondiente elemento en nuestra superteoría final. De este modo conseguiremos por fin una teoría que sea consistente consigo mismo y que explique todos los fenómenos observables. Einstein llama a ese estado el «límite ideal del conocimiento».1

Esta forma de pensar nos lleva a la mecánica cuántica del mismo modo que el coche corre a estrellarse contra el proverbial muro de ladrillo. Einstein pasó una gran parte de su vida discutiendo contra la mecánica cuántica, pese a lo cual fue él uno de los que hizo importantes contribuciones a su desarrollo. ¿Por qué actuó así? Presentar esta cuestión es como situarse al borde del abismo, todavía pisando el suelo firme de la física Newtoniana, pero ya con la mirada fija en el vacío. Responderla es precipitarse pesadamente en la nueva física.

* * *

La mecánica cuántica se abrió camino a la fuerza para hacer su aparición en escena a comienzo de este siglo. No hubo ninguna Convención de físicos que votara el comienzo de una nueva rama de la física llamada «mecánica cuántica» . Ninguno tenía la menor elección en esa materia excepto, quizá, como llamarla.

Un «quanto» es una cantidad de algo, una específica cantidad. Mecánica es el estudio del movimiento. Consecuentemente «mecánica cuántica» es el estudio del movimiento de las cantidades. La teoría del quanto dice que la naturaleza se presenta en porciones y pedazos (los quantos) y la mecánica del quanto es el estudio de ese fenómeno.

La mecánica cuántica no reemplaza a la física de Newton, sino que la incluye en su teoría. La física de Newton sigue siendo válida dentro de sus límites. Decir que hemos hecho un descubrimiento más amplio con relación a la naturaleza es sólo una cara de la moneda. La otra cara de la misma moneda sería decir que hemos encontrado el límite de nuestras previas teorías. Lo que realmente hemos descubierto es que la forma en que habíamos venido observando a la naturaleza no es lo suficientemente amplia y no abarca todo lo que sería necesario para explicar los fenómenos que podemos observar. Por consiguiente, nos vemos forzados a desarrollar un método más comprehensivo. En palabras de Einstein:

«... crear una nueva teoría no consiste en destruir el viejo granero y levantar un rascacielos en su lugar. Es más bien como escalar una montaña, ganando perspectivas nuevas y más amplias, descubriendo contactos inesperados entre nuestro punto de partida y el rico paisaje que se revela a su alrededor. Pero el punto del que partimos sigue existiendo y puede ser visto, aun cuando aparezca más pequeño y haya pasado a ser una pequeña parte de nuestra más amplia perspectiva que hemos ganado al superar los obstáculos de nuestro camino, pleno de aventuras, hacia la cumbre».2
La física de Newton sigue siendo aplicable al mundo a gran escala, pero no tiene validez en el mundo subatómico. La mecánica cuántica es el resultado del estudio de ese mundo subatómico, de ese universo invisible que está por debajo, incluido en, y formando el tejido de todo lo que existe en torno a nosotros.

En la era de Newton (a finales del siglo XVII) ese mundo era enteramente una especulación. La idea de que el átomo es el ladrillo invisible con el que la naturaleza lo construye todo, había sido propuesta ya cuatrocientos años antes de Cristo, pero hasta el siglo XIX siguió siendo simplemente una idea. Los físicos desarrollaron la tecnología necesaria para observar los efectos de los fenómenos atómicos, con lo cual «probaron» que el átomo existía. Desde luego, lo que realmente probaron fue que la existencia teórica del átomo era la mejor explicación que podía inventarse en esos momentos para justificar los datos conseguidos experimentalmente. También probaba que los átomos no eran indivisibles sino que también ellos estaban hechos de partículas más pequeñas, como los electrones, protones y neutrones. Esas nuevas partículas fueron denominadas «partículas elementales» porque los físicos creyeron que, por fin, habían logrado descubrir el último ladrillo con el que se ha construido el universo.

La teoría de las partículas elementales es una versión reciente de una antigua idea griega. Para comprender la teoría de las partículas elementales imaginémonos a una gran ciudad, construida de ladrillos. La ciudad está llena de edificios de todas formas y tamaños. Todos ellos, así como también las calles, han sido construidos con sólo unos pocos tipos diferentes de ladrillos. Si sustituimos «universo» por «ciudad» y «partícula» por «ladrillo», tenemos la teoría de las partículas elementales.

Ha sido el estudio de las partículas elementales lo que ha llevado a los físicos, en una carrera codo a codo, al descubrimiento más devastador (para un físico): ¡La física de Newton no es válida en el universo de lo infinitamente pequeño! El impacto de este descubrimiento, capaz de sacudir la tierra como un terremoto, está modificando, todavía, nuestros puntos de vista sobre el mundo. Los experimentos realizados por la mecánica cuántica producen repetidamente resultados que la física de Newton no pudo predecir ni explicar. Sin embargo, si la física de Newton no tiene validez ni puede explicar los fenómenos que ocurren en el campo de lo microscópico, sigue explicándonos muy bien fenómenos macroscópicos (pese a que lo macroscópico está hecho de lo microscópico). Éste fue, probablemente, el descubrimiento más profundo de la ciencia.

Las leyes de Newton, están basadas en observaciones de nuestro mundo cotidiano. Predicen sucesos. Estos sucesos pertenecen a cosas reales como balones de fútbol o bicicletas. La mecánica cuántica se basa en experimentos llevados a cabo en el mundo de lo subatómico. Predicen probabilidades. Esas probabilidades están, relacionadas con los fenómenos subatómicos. Y éstos no pueden ser observados directamente. Ninguno de nuestros sentidos puede detectarlos. No sólo nadie ha podido ver un átomo (y mucho menos un electrón), sino que nadie lo ha saboreado, tocado, oído u olido.

Las leyes de Newton se refieren a sucesos que son de fácil comprensión y sencillos de describir. La mecánica cuántica se refiere a las probabilidades de fenómenos que desafían su conceptualización y son imposibles de visualizar. Por tanto, estos fenómenos tienen que ser comprendidos de un modo que no resulte más difícil que nuestra forma usual de comprensión, pero diferente a ella. No debe intentarse fformar un cuadro mental completo de los sucesos de la mecánica cuántica. (Los físicos construyen representaciones parciales dé los fenómenos del quanto, pero incluso esas representaciones tienen un valor cuestionable.) En vez de ello el lector debe tratar de abrirse sin hacer el menor esfuerzo para visualizarlo todo. Werner Heisenberg, uno de los fundadores de la física cuántica, escribió:
«Las leyes de la teoría del quanto, formuladas matemáticamente, muestran con claridad que nuestros conceptos intuitivos ordinarios no pueden ser aplicados ambiguamente a las partículas más pequeñas. Todas las palabras o conceptos que usamos para describir objetos físicos ordinarios como posición, velocidad, color, tamaño, etc., se vuelven indefinidos y problemáticos si tratamos de usarlos aplicados a las partículas elementales.»3
La idea de que no podemos entender nada mientras no tengamos una representación de ello en nuestra mente es un subproducto del concepto newtoniano que empleamos para observar el mundo. Si queremos ir más allá de Newton tenemos que superar esa idea.

La primera gran contribución a la ciencia fueron las leyes del movimiento. Si un objeto — dijo Newton — se está moviendo en línea recta continuará moviéndose en línea recta hasta que actúe sobre él cualquier otra cosa (una fuerza). En esos momentos su dirección y velocidad será alterada y esta alteración dependerá de la intensidad y dirección de la fuerza que ha actuado sobre el objeto. Y algo más: toda acción está acompañada de una reacción igual y opuesta.

En la actualidad esos conceptos son familiares a todo aquel que haya estudiado física o que sea aficionado al juego del billar. Sin embargo, si mentalmente nos autoproyectamos trescientos años atrás, en el pasado, podremos darnos cuenta de cuan notables son realmente estas ideas.

En primer lugar veríamos que la primera ley newtoniana del movimiento desafiaba a la autoridad reconocida de esos días, que era la de Aristóteles. De acuerdo con Aristóteles, la inclinación natural de un objeto en movimiento era regresar al estado de inmovilidad.

Segundo, las leyes de movimiento de Newton describen sucesos que eran inobservables en el siglo XVII. En el mundo cotidiano, que era todo lo que Newton tenía que observar, los objetos en movimiento siempre regresaban a un estado de descanso a causa de la fricción. Si ponemos en movimiento un carro, encuentra fricción en el aire con el que se enfrenta, en el suelo sobre el cual se mueven sus ruedas, en los ejes en torno a los cuales giran éstas y, salvo que ruede cuesta abajo, más pronto o más tarde acabará por pararse. Podemos dar al carro una línea aerodinámica, engrasar los ejes y utilizar una carreta suave y lisa, pero todo esto no hará más que reducir los efectos de la fricción. Finalmente el carro dejará de moverse, aparentemente por sí mismo.

Newton nunca tuvo la ocasión de ver una película de las astronautas en el espacio, pero supo predecir lo que sucedería. Cuando un astronauta suelta un lápiz delante de él no sucede nada. Se limita a quedarse allí. Si lo empuja, el lápiz continúa adelante en la dirección del empujón hasta que tropieza con la pared. Si no estuviera allí ese obstáculo el lápiz continuaría moviéndose uniformemente, en principio para siempre (el astronauta que le dio el empujón se movería también en dirección opuesta, pero mucho más despacio debido a su mayor masa).

Tercero, el punto de partida de Newton era: «Yo no hago hipótesis» (Hypotheses non fingo), lo que venía a significar que basaba sus leyes en las pruebas que le aportaba la experiencia y nada más. Su criterio sobre la validez de todo lo que había escrito era que cualquiera podría ser capaz de reproducir sus experimentos y obtendría los mismos resultados. Si algo podía ser verificado experimentalmente, eso era cierto, verdadero. Si no era así, resultaba sospechoso.

La Iglesia tomó un punto de vista oscuro (eso es lo menos que puede decirse de su posición). Hacía casi quince siglos que venía afirmando cosas que difícilmente podían ser probadas experimentalmente; la física de Newton era, cuando menos, un desafío directo al poder de la Iglesia. Y éste era considerable. Poco antes del nacimiento de Newton, Galileo fue acusado por la Inquisición por afirmar que la Tierra se movía alrededor del Sol y por esbozar con ello implicaciones teológicas inaceptables para la Fe. Galileo se vio obligado a enfrentarse con penas de encarcelamiento y quizá peores aún. Esto causó una considerable impresión en muchos, entre ellos en otro fundador de la ciencia moderna: el francés Rene Descartes.

En la década de 1630-1640, Descartes visitó los jardines reales de Ver-salles, que eran famosos por sus complicados autómatas. Cuando se hacía correr el agua, sonaba la música, las ninfas comenzaban a actuar y un gigantesco Neptuno, con tridente y todo, avanzaba con aire amenazador. Estuviese o no la idea en su mente antes de hacer esa visita, el caso es que la filosofía de Descartes, que éste basaba en sus matemáticas, era la de que el universo y todas las cosas en él, eran autómatas. Desde la época de Descartes hasta el comienzo del siglo actual, y posiblemente a causa de este pensador, nuestros antepasados comenzaron a contemplar al universo como una Gran Máquina. En el transcurso de los trescientos años siguientes se desarrollaron ciencias dirigidas específicamente a descubrir como trabajaba esa Gran Máquina.

La segunda gran aportación de Newton a la ciencia fue su ley de la gravedad. La gravedad es un fenómeno notable, pese a que lo consideremos como algo que se nos da por añadidura, normal y omnipresente. Por ejemplo, si mantenemos una pelota alzada, sobre el suelo y la soltamos, la pelota cae directamente al suelo. Pero, ¿cómo ocurre esto? El suelo no se alza para coger la pelota y sin embargo la pelota se siente empujada, asida, y cae a tierra. Los antiguos físicos llamaron a este fenómeno inexplicable «acción-a-distancia». Cómo todos los demás hombres de su época, Newton" se sintió intrigado por ese misterio. En su Philosophiae Naturalis Principia Mathematica escribió:
«No he sido capaz de. descubrir las, causas de estas propiedades de la gravedad basándome en sus fenómenos y no he sacado ninguna hipótesis... me basta con decir queja gravedad existe realmente y actúa acorde con las leyes que ya hemos explicado. Y además sirve para explicar todos los movimientos de los cuerpos celestes.»4
Newton sintió con claridad que la comprensión auténtica de la naturaleza de la gravedad estaba por encima de toda comprensión. En una carta dirigida a Richard Bentley, un universitario clasicista, escribió:
«...que un cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia, a través del vacío y sin ninguna otra mediación, y que su acción y fuerza puedan pasar de uno al otro, es para mí un absurdo tan grande que creo que nunca estará de acuerdo con ello ningún hombre que sea intelectualmente competente en materia filosófica.»5
En resumen: «la acción-a-distancia» podía ...ser descrita, pero no explicada.

La tesis de Newton era que la misma fuerza que hacía caer las manzanas, mantenía a la Luna en órbita en torno a la Tierra y a los planetas girando en torno al Sol. Para someter a prueba su idea, calculó diversos movimientos de la Luna y los planetas, utilizando sus propias matemáticas. Después comparó sus hallazgos con las observaciones de los astrónomos. ¡Sus cálculos y las observaciones de los astrónomos coincidían! De un solo golpe Newton apartó la hipótesis de que existía una diferencia esencial entre los objetos terrestres y los celestes y demostró que unos y otros estaban sometidos a las mismas leyes. De ese modo estableció una mecánica celeste racional. Lo que hasta entonces habían sido los poderes de los dioses, o de Dios, pasó a entrar de lleno en el campo de los conocimientos comprensibles a los mortales.

La ley de la gravitación de Newton no explicaba la gravedad (eso lo haría Einstein en su teoría general de la relatividad), pero "sometió los efectos de la gravedad a un riguroso formalismo matemático.

Newton fue la primera persona en descubrir principios en la naturaleza que unificaban amplias áreas de experiencia. Logró abstraer ciertos conceptos unificadores en la infinita diversidad de la naturaleza y les dio a esos conceptos una expresión matemática. Por eso, más que por cualquier otra cosa, la obra de Newton nos ha influido de manera tan inevitable. Newton nos mostró que los fenómenos del universo están estructurados de forma racional y comprensible. Puso a nuestra disposición el instrumento más poderoso de todos los tiempos. En Occidente hemos utilizado esa herramienta, si no sabiamente sí al menos con nuestra mejor habilidad. Los resultados, tanto los negativos como los positivos, han sido espectaculares. La historia del enorme impacto del hombre en nuestro medio ambiente comienza con la obra de Newton.

Fue Galileo Galilei quien, saliendo de la Edad Media, cuantificó por vez primera el mundo físico. Midió el movimiento, la frecuencia, la velocidad y la duración de todo, desde las piedras que caían al suelo a los movimientos del péndulo (como el candelabro de su catedral). Fue Descartes quien desarrolló muchas de las técnicas fundamentales de las matemáticas modernas y nos ofreció la imagen del universo como una Gran Máquina. Pero sería Isaac Newton quien formulara las leyes que hacían que esa Gran Máquina se moviera.

Esos hombres chocaron profundamente contra el muro de la escolástica, el sistema de pensamiento medieval vigente desde el siglo XII al XV. Fueron ellos los que intentaron colocar al hombre en el centro del escenario o, al menos, hacerlo volver a la escena, probar que no necesitaba ser un simple espectador en un mundo gobernado por fuerzas insondables. Quizá la mayor ironía de la historia es que consiguieron exactamente todo lo contrario.

Joseph Weizenbaum, un científico del Instituto de Tecnología de Massachussetts, escribió refiriéndose a las computadoras:
«La ciencia le promete el poder al hombre... Pero, como suele ocurrir con tanta frecuencia cuando la gente se deja seducir por promesas de poder, el precio es servidumbre e impotencia. El poder, como no sea el poder de elegir, no es nada.»6
¿Cómo ocurre eso?

Las leyes newtonianas describen lo que le sucede a un objeto en movimiento. Una vez que conocemos las leyes del movimiento, podemos predecir el futuro de un objeto que se mueve, partiendo de la base de que conozcamos, inicialmente, algunas cosas sobre él. Mientras mayor sea la información inicial que tengamos, más acertadas serán nuestras predicciones. También podemos «retrodecir» (predecir hacia atrás en el tiempo) la historia pasada de un determinado objeto. Por ejemplo, si conocemos la presente posición y la presente velocidad de la tierra y la luna, podremos predecir dónde estará la tierra en relación con la luna en cualquier momento particular, en el tiempo, en el futuro, lo cual nos ofrece un conocimiento previo de los eclipses, estaciones, y así sucesivamente. De igual manera podremos calcular dónde estuvo la tierra en relación con la luna y cuando ocurrieron acontecimientos similares (eclipses, etc.) en el pasado.

Sin la física newtoniana, el programa espacial no hubiera sido posible. Las sondas lunares son lanzadas en el preciso momento en que el lugar de lanzamiento, en la tierra (que simultáneamente está girando en torno a su eje y avanzando en el espacio), está en una posición relativa con la zona de aterrizaje en la luna (que también gira alrededor de su eje y se mueve en el espacio) de manera que el rumbo seguido por el cohete espacial sea el más corto posible. Los cálculos sobre los movimientos de la tierra, la luna y la nave espacial son realizados por computadoras, pero la mecánica utilizada es la misma que fue descrita por Newton en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.

En la práctica resulta muy difícil conocer todas las circunstancias iniciales relativas a un suceso. Incluso la acción, aparentemente tan sencilla, de lanzar una pelota contra una pared es sorprendentemente compleja. La forma, tamaño, elasticidad y momento de la pelota, el ángulo con que se lanza, la densidad, presión, humedad y temperatura del aire, la forma, la dureza y la posición de la pared... ¡para nombrar sólo algunos de los elementos esenciales que se requieren para conocer dónde y cuándo la pelota dará en el suelo! Resulta más difícil obtener todos los datos necesarios para una predicción acertada cuando se trata de acciones más complicadas o complejas. Sin embargo, de acuerdo con la vieja física es posible, en principio, predecir exactamente cómo va a desarrollarse un acontecimiento si tenemos la suficiente información sobre él. En la práctica es sólo la enormidad de la tarea lo que nos impide hacerlo.

La habilidad, para predecir el, futuro basándose en un conocimiento del presente y de las leyes del movimiento les dio a nuestros antepasados un poder que nunca antes habían conocido. Sin embargo, esos conceptos llevaban consigo una lógica deprimente. Si las leyes de la naturaleza determinan el futuro de un suceso, entonces, con la suficiente información» podríamos haber predicho nuestro presente en alguna época anterior. En resumen, si nos decidimos a aceptar la determinación mecanicista de la física de Newton — si el universo es una gran máquina — desde el mismo momento en que fue creado y puesto en movimiento el universo, todo lo que habría de suceder estaría ya determinado.

De acuerdo con esa filosofía, nosotros aparentemente tendríamos nuestra voluntad propia- y la-habilidad de alterar el curso _de los acontecimientos en nuestras vidas» pero esto no sería así en realidad. Todo estaría predestinado desde el principio de los tiempos, incluso la ilusión de tener una libre voluntad. El universo sería una cinta magnetofónica grabada que se reproduce de la única manera posible. La condición humana resultaba así mucho más lóbrega y sombría que lo fuera antes de la aparición de la ciencia. La Gran Máquina funcionaba a ciegas y todo lo que había en ella no eran más que ruedas dentadas, partes de un mecanismo.

De acuerdo con la mecánica cuántica, sin embargo, no es posible ni siquiera en principio llegar a conocer lo suficiente del presente para poder hacer una predicción completa del futuro. Incluso si dispusiéramos del tiempo y él determinismo para querer llevarlo a cabo esto no sería posible, aun disponiendo de los mejores instrumentos de medición. No es cuestión del tamaño de la tarea ni de la ineficacia de los detectores. La verdadera naturaleza de las cosas es tal que tenemos que elegir cuál de sus aspectos es el que deseamos conocer mejor, puesto que sólo podremos conocer con precisión uno de ellos.

Fue así como se expresó Niels Bohr, otro de los fundadores de la mecánica cuántica:
«...En la mecánica cuántica, no nos encontramos ante la arbitraria renuncia a un análisis más detallado de los fenómenos atómicos, sino ante el reconocimiento de que tal análisis está en principio excluido.»7 (La cursiva en el original.)
Imaginemos, por ejemplo, un objeto que se mueve en el espacio. Tiene una posición y un momento que podemos medir. Éste es un ejemplo de la
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