Tim Maudlin y la interpretación de Copenhague

Tim Maudlin sobre filosofía de la mecánica cuántica: Teoría física, interpretación de Copenhague y realismo científico.

Traducción libre de extractos de la Introducción a Filosofía de la Física II: teoría cuántica de Tim Maudlin.

Una teoría física debería responder clara y francamente dos preguntas fundamentales: qué hay y qué hace. La respuesta a la primera es la ontología de la teoría y a la segunda es la dinámica. La ontología debería tener una definida descripción matemática y la dinámica debería ser implementada por ecuaciones precisas que describan como evolucionará o evolucionaría la ontología.

La interpretación de Copenhague no cumple estas demandas. Hay poco acuerdo acerca de qué es lo que postula este abordaje de la teoría cuántica sobre lo que existe o cómo la dinámica puede ser formulada sin ambigüedades. Actualmente la expresión es usada con frecuencia como una forma abreviada de referirse a un instrumentalismo general que trata al aparato matemático de la teoría simplemente como un dispositivo predictor, sin comprometerse para nada con una ontología o dinámica. Ese dispositivo predictor es lo que Maudlin llama “la receta cuántica”. En ocasiones, aceptar la interpretación de Copenhague se entiende como la simple decisión de usar la receta cuántica sin más preguntas: cállate y calcula. Tal actitud rechaza la aspiración de proporcionar una teoría física, como la definimos arriba. Por tanto la interpretación de Copenhague ni siquiera está en la búsqueda de una descripción del mundo físico y de lo que éste hace.

Además de rechazar la terminología usual de “teoría cuántica” vs. “interpretación de la teoría cuántica” en favor de “receta predictiva” vs. “teoría física”, y además de ignorar la cuestión histórica de qué (si algo) cuenta como interpretación de Copenhague, este trabajo difiere de la mayoría de discusiones estándar en una tercera manera. Se ha vuelto de rigor que la literatura sobre los fundamentos cuánticos sistemáticamente usa de modo equívoco los términos ‘realista’ y ‘antirrealista’ (en inglés son 4 términos: realist, realistic, antirealist y antirealistic). Estos términos tienen un significado preciso en filosofía de la ciencia, el cual parece ser poco familiar para la mayoría de los físicos. Y no es sólo que estos físicos usen los términos de manera equívoca, es que más bien ellos los manejan sin significado alguno. Esto ha tenido consecuencias terribles para las discusiones sobre los fundamentos de la teoría cuántica.

En el propio sentido del término, las teorías físicas no son realistas ni antirrealistas. Eso es un error categorial, como se suele decir. Es la actitud de una persona hacia la teoría física la que es realista o antirrealista. (Pone el ejemplo de Osiander y Galileo respecto a la teoría copernicana).

El realista científico mantiene que, al menos en algunos casos, tenemos buenas razones probatorias para aceptar teorías o afirmaciones teóricas como verdaderas, o aproximadamente verdaderas, o en camino de ser verdaderas. El antirrealista lo niega. Estas actitudes vienen en gradientes: se puede ser un realista científico leve, medio o fuerte y asimismo el antirrealista. En últimas, es un asunto de epistemología y teoría de la confirmación.

Extracto y traducción libre de la introducción de Filosofía de la Física II: Teoría Cuántica. Publicado en 2019 por Princeton University Press.

Ontología de la mecánica cuántica de Gustavo Romero

 Nota: pensaba elaborar una reseña de uno de los mejores capítulos escrito por Gustavo Romero en el libro sobre materialismo contemporáneo, pero preferí hacer una traducción libre del último acápite del texto en inglés, esto es, el sumario y las conclusiones.

Entre corchetes van comentarios aclaratorios de mi parte y entre paréntesis van palabras en inglés como aparecen en el original, por si acaso la traducción no es idónea.

Ontología de la mecánica cuántica

Tomado de Contemporary Materialism: its Ontology and Epistemology (Materialismo contemporáneo: su ontología y epistemología). Capítulo 4: Quantum Matter (Materia Cuántica) por Gustavo Romero. Sección 4.8: Sumario y conclusiones.

La mecánica cuántica es una teoría extraordinaria. Es extraordinaria por sus logros y triunfos, y es extraordinaria por su opacidad de significado y la distancia que va desde su profunda visión a los dictados del sentido común. La extrañeza de la teoría se manifiesta principalmente a través del entrelazamiento, la dualidad onda – partícula, y la carencia de nítida definición (sharpness) de algunas propiedades cuánticas [indeterminación – superposición]. Todas estas características pueden encajarse dentro de una interpretación realista y objetiva [objetivista] de la teoría. En tal interpretación los referentes de la mecánica cuántica son los sistemas cuánticos y sus entornos.

Los estados de estos sistemas son representados por funciones complejas que corresponden a un espacio funcional llamado espacio de Hilbert. Las propiedades específicas de un sistema particular son dadas por operadores autoadjuntos (self-adjoints) que actúan a través del correspondiente espacio de Hilbert. Los valores propios (eigenvalues) de los operadores son identificados con los valores de las propiedades. Dado que los valores son discretos, se dice que el sistema está cuantizado. Si dos operadores no conmutan, los correspondientes valores propios no son simultaneamente definidos (sharp). Tal indeterminación de propiedades, llamadas desigualdades de Heisenberg o relaciones de dispersión, nada tienen que ver con observaciones. Simplemente reflejan el modo de ser de los objetos cuánticos [no se trata de que el observador altere lo observado, como se suele decir equivocadamente].

La evolución de los sistemas cuánticos obedece a una ecuación linear [determinista]. Esta ecuación puede ser formulada para estados o propiedades. La aplicación del Principio de Superposición a estados lleva naturalmente al entrelazamiento. Una vez un sistema es preparado de una manera particular, evoluciona de tal modo que sus propiedades globales se preservan. Como resultado de esto se da la existencia de correlaciones no-locales entre estados cuánticos de los componentes del sistema. Este entrelazamiento, muy bien verificado desde el punto de vista experimental, no es amenaza para la interpretación realista, en contravía de lo que pensaba Einstein. Sólo implica que las correlaciones cuánticas en sistemas entrelazados son no-locales [No hay conexión causal no-local, ni transmisión de energía o información instantáneas o a mayor velocidad que c (velocidad de la luz y la ondas gravitacionales), no hay “spooky action at a distance” como dijera Einstein].

La linealidad de las ecuaciones dinámicas de la mecánica cuántica también implica que la teoría es plenamente determinista. En cada punto del espacio-tiempo el estado de un sistema cuántico no interactuante está completamente determinado desde las condiciones iniciales. Sin embargo, la teoría es probabilística en el sentido de que a partir de un estado dado sólo las propensiones pueden ser evaluadas para diferentes posibles resultados (outcomes). Tales propensiones son matemáticamente representadas por probabilidades que son determinadas por la regla dada por la ecuación 4.5. En la evolución de las propensiones los observadores no están involucrados, sino únicamente las interacciones con el entorno, las cuales pueden ser artificiales –como en un experimento- o naturales –como en la mayoría de los casos-.

La llamada dualidad onda – partícula en realidad no existe. Los sistemas cuánticos no son ondas ni partículas. Ellos pueden mostrar bajo ciertas condiciones un comportamiento que puede asemejarse (resemble) al de una onda y bajo otras condiciones un comportamiento semejante a una partícula, pero ellos no son ni lo uno ni lo otro: son entidades sui generis. ¿Qué clase de entidades? En este capítulo he sustentado que los sistemas cuánticos son campos extendidos sobre el espacio-tiempo. Lo que llamamos partículas individuales son sólo excitaciones de este campo. El hecho de que las partículas sean propiedades del campo y no entidades se revela cuando nos damos cuenta de que no son relativisticamente invariantes [o sea para diferentes sistemas de referencia]. Diferentes estados del vacío [vacío cuántico] pueden ser encontrados en el mismo campo. Esto resulta en que hay partículas detectadas en un marco de referencia y no en otro.

La propiedad que caracteriza la existencia ontológica [óntica] es la energía: la capacidad de cambiar y producir cambios. La densidad de energía del campo siempre está bien definida en todos los marcos de referencia y no puede ser nivelada (leveled) por un cambio de marco. Esto muestra que las entidades subyacentes en la teoría son los campos cuánticos. Dado que estos campos interactúan entre ellos, decimos que son materiales.

Finalmente, el espacio-tiempo en el que estos campos existen es material también, porque también tiene energía, aunque con una distribución no local [en regiones de espacio-tiempo].

Podemos decir que, de acuerdo a nuestros actuales puntos de vista del mundo físico, todo lo que existe es material. Parece haber dos clases de materia: campos y espacio-tiempo [37 campos cuánticos y un campo clásico que es el espacio-tiempo; en el recuento de Romero se mencionan 25 campos cuánticos, pero ahí faltan las anti-partículas de los 12 fermiones]. Que estas dos clases de materia puedan reducirse una a la otra es algo que está por verse [ya sea por el camino de Einstein y Wheeler o por el camino “inverso” de la gravedad cuántica de bucles u otros similares].

 

 

Los cuadernos de Praga

Estimado lector: ¿cuando lees o escuchas hablar de "los cuadernos de Praga" qué se te viene a la cabeza?

Lo que sigue a continuación es un relato que publiqué el 9 de octubre de 2022 en El Unicornio.  Es ficción, pero conectada a cierta realidad.  

Los cuadernos de Praga

Por Jorge Senior

El hombre atravesó con lentitud el puente sobre el río Moldava. Miró distraídamente las aguas mansas y luego siguió por la avenida Narodni, apretando su gabán en medio de la neblina vespertina. Ya era primavera, pero aquel año el frío invernal parecía no querer irse. Ese 19 de abril tenía una cita con un argentino en el Café Louvre, a las 6, para jugar una partida de ajedrez.  Llegó puntual, se quitó el sombrero, puso el gabán en el perchero y encendió su pipa.  Buenas tardes, Herr Albert, lo saludó el mesero. El joven de poco más de 30 años y estatura mediana tomó asiento al lado de la ventana, pidió un café cargado y miró a la clientela de la cafetería que departía animadamente, rostros vagamente familiares, pues solía visitar ese lugar en las tardes de invierno, desde que se mudó a Praga en noviembre del año anterior. Sin embargo, desde que vino a Bohemia había dejado su vida bohemia, pues ahora era un servidor público que ejercía como profesor en una universidad estatal.  Y lo más importante: ahora su mente bullía con una idea revolucionaria que no lo abandonaba un segundo.  Jugar ajedrez era la única licencia que se permitía.  Esa tarde esperaba echarse una partida con ese extraño argentino con cara de espía que no encajaba en esta ciudad kafkiana.  “Sospecho que Ernesto se va a demorar un buen tiempo a pesar del buen tiempo” pensó con acento alemán (suponiendo que los pensamientos tengan acento).  Así que se levantó, fue hasta donde estaba colgado su gabán y del bolsillo extrajo un cuaderno de color café.  Volvió a su asiento y empezó a garrapatear sus ideas revolucionarias en el viejo cuaderno arrugado por el uso. 

Ernesto llegó al fin, a las 6, pero con 55 años de retraso.  Hacía ya 11 años que Albert se había ido de este mundo.  El joven de poco más de 30 años y mediana estatura tomó asiento al lado de la ventana, encendió un habano y pidió un café cargado.  El lugar era una especie de club de ajedrez y la clientela parecía concentrada en la guerra de las piezas sobre los escaques.  Ernesto aparentaba más edad de la que tenía, debido a la calvicie, y vestía como un burgués comerciante que no pensaba en argentino sino en uruguayo.  Su piel tostada por el sol revelaba, sin embargo, que venía del trópico. En efecto, un año antes, también 19 de abril pero sin calvicie, había llegado a Dar Es Salaam con un grupo de caribeños en una misión secreta que lo llevaría hasta el Congo, la tierra de Patrice Lumumba.  Ahora, en este nuevo abril, estaba clandestino en Praga y evitaba llamar la atención.  La única licencia que se permitía era jugar ajedrez, por lo que al pasar por la avenida Narodni se vió atraído por este discreto club de ajedrecistas aficionados.  Sin embargo, Ernesto optó por no jugar, sacó de su chaqueta un cuaderno color café que tenía junto al pasaporte (documento a nombre de un tal Ramón, no de Ernesto). Y a continuación se puso a garabatear sus ideas revolucionarias en el viejo cuaderno arrugado por el uso.         

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Estimado lector: si vas al Museo de Franz Kafka, en Praga, después del 3 de junio del año 2024, encontrarás una sala con una urna de cristal en la mitad. Dentro de la urna podrás ver dos cuadernos color café, viejos y arrugados por el uso, cuidadosamente colocados en los dos lados de un tablero de ajedrez.  Dice la ficha que fueron encontrados detrás de un muro en una de las casas donde vivió el escritor.  Nadie sabe como llegaron ahí, ni cuando. Su contenido es un misterio.

De los cuadernos nos hablan cuatro leyendas.

Según la primera los cuadernos están llenos de ideas revolucionarias.

De acuerdo con la segunda se trata de un entrelazamiento ajedrecístico: cada cuaderno es de un jugador, cada hoja tiene una jugada.  En superposición escenifican una partida de ajedrez entre dos jugadores muy diferentes: uno dotado de gran imaginación y el otro ofreciendo un gran despliegue de audacia.  Los cuadernos terminan sin que la partida haya llegado a su final. Tal vez pactaron tablas, nadie lo sabe.

Conforme a la tercera el tiempo lo borró todo.  Dos vacíos llenan los cuadernos.

La cuarta es indescifrable.

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Comentario del autor sobre el relato

Volviendo a la pregunta en la introducción, recordémosla: ¿cuando lees o escuchas hablar de "los cuadernos de Praga" qué se te viene a la cabeza?

Mis amigos de izquierda evocan a Ernesto Guevara De la Serna, clandestino en Praga en 1966, de vuelta del Congo.  Pero los académicos rememoran a Einstein durante el año que pasó en Praga en 1911 trabajando de profesor en la Universidad Alemana, llenando cuadernos con sus ideas en ebullición que llevarían a la teoría general de la relatividad (TGR).  Es curioso que estos dos grandes personajes del siglo XX tan disímiles, pero cada uno revolucionario a su manera, tengan en su producción intelectual unos textos de nombre idéntico.  Borradores de ideas que revolucionarían el mundo.

Para los historiadores, los cuadernos de Praga de ambos son documentos muy valiosos.  En el caso del Ché, al parecer contiene una visión notoriamente crítica sobre las sociedades de Europa Oriental que el revolucionario latinoamericano estaba visitando, sociedades que se suponía estaban construyendo la utopía anhelada.  Se dice que por ello no se han difundido, cosa que no me consta.  En el caso del físico, se trata de apuntes en un momento clave en la germinación de la TGR.    

Entre 1911 y 1966 hay 55 años de diferencia.  Einstein murió en 1955.  Otra coincidencia que se presta al juego literario, números repetidos, 11, 55, 66, el de la mitad es la diferencia entre los otros dos.  El juego literario es el paralelismo, pero con una trasposición temporal que evoca la llamada "paradoja de los gemelos" (ver la entrada en este blog sobre el debate Einstein vs Bergson y el libro de Jimena Canales).  Cuando vivieron en Praga, nuestros personajes eran treintañeros. En 1911 Einstein tenía 32 años, mientras que Guevara en abril de 1966 tenía 37 años.  La fecha 19 de abril sí corresponde a la presencia real de ambos en la ciudad y es un guiño al M19, por supuesto.  En esa fecha Guevara era un recién llegado, pero Einstein ya llevaba varios meses.

Me gusta pensar que tal vez el Ché y Einstein estuvieron en los mismos lugares de la ciudad centroeuropea, los mismos cafés de la ciudad vieja, quizás.  Pero el Café Louvre no fue el caso, pues si bien en 1911 recibía en su segundo piso (que allá es llamado primera planta) a personajes como Einstein o Kafka, en 1966, cuando Checoeslovaquia era una país comunista, ese Café había desaparecido.  No obstante, después de la caída del muro, un inversionista recreó el Café Louvre, un poco cambiado.  Ese es el que actualmente el turista puede visitar.  Dado que el relato se publicaría en El Unicornio, pensé utilizar el Café El Unicornio Dorado, también real, pero había referencias directas que favorecían al Louvre (también hay un edificio en Praga conocido como la Casa del unicornio blanco).

El científico y el guerrillero emigraron de sus patrias originales, adoptaron otras nacionalidades y se convirtieron en íconos internacionales.  Para 1911 Einstein todavía no lucía la icónica melena despelucada que lo caracterizaría más adelante, pero Guevara ya había imbricado su melena insurgente con su aureola heroica.  La más icónica de todas las fotos del Ché, la de Alberto Korda, convertida en millones de afiches, fue tomada en 1960 (Korda en realidad se llamaba Alberto Díaz Gutiérrez).  Por eso resulta llamativa la figura del Ché calvo, disfrazado de "Ramón Benítez", un comerciante uruguayo de 46 años.  Imposible no aprovechar ese dato.

La pipa y el habano, eran reales aficiones de cada uno, pero el ajedrez, que yo sepa, sólo del Ché.  El café cargado no parece ser característico de ninguno de los dos, pero sí de quien esto escribe. 

Praga es, ante todo, la ciudad de Franz Kafka: su hijo más famoso, que vivió en múltiples casas de la vieja urbe.  Praga está muy presente en la obra de Kafka.  En la primera de las dos escenas del relato se menciona la "ciudad kafkiana".  "Kafkiano" se ha convertido en un adjetivo uso profuso, confuso y difuso, cuando no de abuso.  Igual que sucede con "macondiano".  Gajes de la fama literaria.  

El relato de los cuadernos de Praga en dos viñetas tiene una especie de epílogo con un claro homenaje a Kafka, jugando con el cuento sobre Prometeo y las cuatro leyendas.  Lo del hallazgo tras el muro suena más a Poe, pero el asunto era proponer un epílogo absurdo de literatura fantástica.  La segunda leyenda contiene un par de referencias a la física cuántica, específicamente en dos aspectos que para Einstein eran absurdos.  Pocos días antes de publicar el relato se había otorgado el premio Nobel de física 2022 (ver la entrada anterior en este blog), precisamente sobre los desarrollos experimentales relacionados con la paradoja EPR, la desigualdad de Bell y el entrelazamiento cuántico. La superposición es también un concepto de física cuántica.

Hacía rato yo venían rondando la idea de conectar a Einstein y Guevara por medio de los cuadernos de Praga.  Las columnas de Freddy Sánchez Caballero y Olga Gayón el 8 de octubre en El Unicornio, me motivaron a escribir el relato ese mismo día, conmemorativo de la muerte del Ché.  Mi escrito toma algo de la atmósfera de esas dos excelentes. columnas.  

 

Los premios Nobel 2022 y el genio que no ganó

Primera parte

Pasada la semana de los premios Nobel vale la pena echar un vistazo sobre estos reconocimientos que, dígase lo que se diga, siguen siendo los más importantes a nivel mundial.  De ahí la necesidad de esta doble columna en El Unicornio.  Hoy vamos con la primera parte, mañana con la segunda para degustar mejor el festivo. 

Sin contar el “premio Nobel de paz” que es político y lo otorga Noruega, los premios Nobel son cinco: tres en ciencias naturales (teniendo en cuenta que la medicina es una tecnología que se soporta en la biología); uno para la más matemática de las ciencias sociales, la economía; y el quinto para una de las bellas artes, la literatura.  De los de ciencia, Colombia va invicto, con cero premiados desde 1901.

Este año hubo 11 ganadores, nueve hombres y dos mujeres. Seis ganadores, o sea más de la mitad, son estadounidenses, de las principales universidades norteamericanas que no necesariamente pertenecen a la Ivy League.  Dos son de Francia, y tres de sendos países: Dinamarca, Suecia y Austria.  Británicos, alemanes y asiáticos esta vez brillaron por su ausencia, como siempre brilla el tercer mundo con el esplendor del subdesarrollo.  De los 11 ganadores, cinco nacieron en la década de los 40, otros cinco en la década de los 50 (todos varones boomers nacidos entre 1953 y 1955) y sólo una maravillosa jovenzuela que nació en los años 60.  Por otro lado, la Academia Sueca parece estarse adecuando al correccionismo político de estos tiempos, pero a diferencia de los medios amarillistas aquí no nos interesa la vida sexual de los científicos.           

A mis amigos literatos o economistas no los veo muy contentos, más bien lucen indiferentes. Quizás porque, como yo, no conocían a los premiados. Cuarenta años después de otorgárselo a un colombiano, el de Literatura lo ganó una francesa octogenaria, Annie Ernaux.  Menos conocida que algunos de sus rivales, como Salman Rushdie o Michel Houllebeck, la ganadora tiene varias obras traducidas al español, pero debo reconocer que nunca la había oído mencionar.  Ahora es que me entero que ganó el premio de la lengua francesa en 2008 y el premio Formentor 2019, así que no fue propiamente un “palo”.  El de Economía, que no lo da la Academia Sueca de Ciencias sino el Banco Central de ese país, se lo otorgaron a investigadores del sector bancario, precisamente.  Uno de ellos, el republicano Ben Bernanke, fue presidente de la Reserva Federal de EEUU (2006-2014).  Los otros dos son académicos, Douglas Diamond y Philip Dybvig.  Los trabajos que motivaron el reconocimiento son modelos matemáticos que datan de los años ochenta y se centran en el estudio de las crisis financieras.

Mis amigos químicos, en cambio, sí andan contentos por el premio a la química click, que toda la prensa ha comparado con el juego del Lego, pues ciertos módulos moleculares se enlazan como fichas de este juego de construcción.  Sobre todo están encantados con el triunfo de la joven y popular Carolyn Bertozzi, con apenas 56 años recién cumplidos y en cuya estantería ya no parecen caber más premios.  Pero fueron tres los ganadores del premio de Química, como es lo más común en los premios Nobel actuales. Sólo que este trío pertenece a tres generaciones científicas: Barry Sharpless nació a comienzos de los 40, el danés Morten Meldal en los 50 y la mencionada Bertozzi en los 60.  El más viejo, Sharpless, es repitente, pues había obtenido el Nobel de química en 2001 y es el auténtico padre de la química click, es decir, del concepto y de los primeros desarrollos. 

¿Y de qué click estamos hablando?  Se trata de una pauta operativa para hacer síntesis orgánica, que imita la naturaleza y es sumamente práctica, pues tiene un amplio rango de aplicaciones.  Meldal, por su parte, logró en Dinamarca la primera reacción específica utilizando este concepto, abriendo el camino hacia mayores aplicaciones de esta técnica.  Sin embargo, los avances obtenidos por los equipos de Sharpless y Meldal tenían el inconveniente de contener cobre, un metal tóxico para las células, impidiendo su aplicación en el campo biomédico.  Bertozzi y su equipo solucionaron de modo ingenioso ese inconveniente con la química bioortogonal, de manera que ahora se puede usar esta fecunda técnica en seres vivos, ya sea para investigación o para tratamientos clínicos.

En la segunda parte de esta columna especial veremos los premios de mayor impacto filosófico: medicina y física.  El primero cambió nuestra concepción de la naturaleza humana y el segundo transformó nuestro entendimiento de la realidad en su nivel más profundo.  Ah, y sabremos por fin quién fue “el genio que no ganó”.

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Segunda parte

En la primera parte de esta columna especial vimos los premios en literatura y economía, para luego enfocarnos en lo que fue el trabajo que mereció el Nobel de química.

Tales desarrollos de la química bio-orgánica fueron realizados a finales de los noventa y comienzos del presente siglo. Resulta curioso que estos avances tengan mayor impacto en la medicina que los logros de Svante Pääbo, el sueco ganador en solitario del Nobel de Medicina de este año.  Los suecos premiaron al sueco, pero no por rosca, como sospecharía un colombiano, pues se trata nada menos que del famoso padre de la paleogenómica, el estudio en laboratorio del ADN antiguo. Es el líder mundial en este campo. 

Pääbo lideró el proyecto que por primera vez secuenció el genoma de un fósil Neanderthal (2009), lo cual llevó a la resolución de un viejo debate sobre la relación entre Neanderthales y Sapiens, dejando en claro que sí hubo hibridación y que por tanto en los humanos actuales, especialmente en europeos, hay genes neanderthales (alelos, para ser exactos).  Como si fuera poco en 2010 anunció otra secuenciación histórica: una falange hallada en una cueva de Denisova, región de la Siberia rusa, muy cerca de Kazajistán y Mongolia, correspondería a una especie desconocida del género Homo. Y esa especie, ahora llamada los denisovianos, también se hibridó, tanto con Neanderthales como con Sapiens, y en los humanos actuales, especialmente asiáticos, hay alelos denisovianos. 

Todos estos hallazgos tienen una tremenda importancia filosófica, pues cambian radicalmente nuestro concepto de la naturaleza humana, alejándonos de todo tipo de esencialismo.  Su importancia para la medicina apenas se está explorando.  En todo caso, quienes trabajamos en filosofía y Gran Historia (Big History), estamos de plácemes con el reconocimiento a una de las personas que más ha contribuído a desentrañar la genealogía humana.  Pääbo, que es hijo de otro Nobel de Medicina, es tan merecedor del premio que hasta ha podido ganarlo antes por su trabajo sobre la evolución molecular del gen FoxP2, el llamado “gen del lenguaje”.  Nota bibliográfica: Pääbo publicó en 2014 el libro El hombre de Neanderthal, traducido en 2015 al español (Alianza Editorial).

Y ahora viene lo mejor. En 2022 hubo otro premio Nobel dotado de una importancia filosófica aún mayor, si cabe. El de Física, otorgado a un trío que al igual que Ernaux y Sharpless, nacieron en los años cuarenta: el francés Alain Aspect, el austríaco Anton Zeilinger y el gringo John Clauser, de los Clauser de Pasadena.

Todo empezó con el debate filosófico más importante del siglo XX, el cual no fue protagonizado por filósofos, sino por científicos: Albert Einstein y Niels Bohr. Un rifirrafe de alturas inusitadas que inició en el Congreso de Solvay de 1927 con la crítica de Einstein a la mecánica cuántica que él mismo contribuyó a crear, a la cual acusaba de “incompleta”.  El primer round lo ganó Bohr y el segundo en 1930 también.  Einstein ripostó en 1935 con uno de sus artículos más famosos, escrito en inglés en conjunto con Boris Podolsky y Nathan Rosen, por lo que se le conoce con la sigla de sus apellidos EPR y su contenido pasó a la historia como la “paradoja EPR”.  Lo que estaba en juego era nada menos que la naturaleza de la realidad.  Para Einstein y sus compañeros era imposible la interacción instantánea a distancia como pareciera suceder en los entrelazamientos cuánticos entre dos partículas.  “Spooky action” la llamaba el genial judío.  En el lenguaje de la física actual se le denomina “no localidad” (que sólo ocurre en ciertos fenómenos cuánticos).

Dicho burdamente, con perdón de los filósofos, Einstein defendía el realismo objetivo y determinista en el marco de un programa de búsqueda de “variables ocultas”, mientras que Bohr se alejaba de esa visión filosófica promulgando un metafísico “principio de complementariedad” y lo que finalmente se conocería como “la interpretación de Copenhague”, que tiene diversas versiones, unas más subjetivistas que otras.  El joven John von Neumann aparentemente había “demostrado” en 1932 que no podía haber tales variables ocultas.

Los físicos siguieron en lo suyo, desarrollando nuevas teorías cuánticas y descubrimientos experimentales, despreocupados de los fundamentos epistemológicos y ontológicos de lo que hacían (a excepción de David Bohm), hasta que en 1964 un pelirrojo norirlandés, John Stewart Bell, ingeniero cuántico (como le gustaba etiquetearse), logró lo que Gary Zukav describió como “el trabajo más importante en la historia de la física”….  ¡Nada menos!

En ese año Bell publicó en una revista casi desconocida un artículo titulado “Sobre la paradoja EPR”, el cual permaneció desapercibido durante años.  Allí Bell cuantificó matemáticamente las implicaciones teóricas de la paradoja EPR (la denominada “desigualdad de Bell”) y sentó así las bases para un eventual diseño experimental.  Si el experimento violaba la desigualdad de Bell, que es lo que predecía la mecánica cuántica, Einstein estaría equivocado.  Fue precisamente ese diseño el que lograron materializar John Clauser y otros científicos, en los años setenta.  Finalmente fue Alain Aspect quien en 1982 -en Francia- coronó el experimento definitivo que derrota la tesis de Einstein, al menos en el sentido de darle base empírica rigurosamente controlada a las interacciones no locales (“spooky actions”). 

La verdad es que el debate sobre la naturaleza de la realidad ha dado un giro, pero no se ha cerrado, como suele pasar en filosofía.  Mientras tanto, las aplicaciones tecnológicas del entrelazamiento cuántico se hacen cada día más importantes.  Es el caso de la computación cuántica y la invulnerable criptografía cuántica.  En ese contexto entra la teleportación cuántica que ha trabajado Zeilinger con asombrosos experimentos de orilla a orilla del Danubio (1997) o entre La Palma y Tenerife (2012).  Un sistema entrelazado sigue comportándose como una unidad independientemente de la distancia que luego separe a sus componentes.

Todo esto se lo debemos a John Stewart Bell.  ¿Por qué Bell no ganó el Nobel?  Lamentablemente murió de una hemorragia cerebral a los 62 años, poco después de darle una entrevista a Jeremy Bernstein, publicada en el libro Perfiles cuánticos (McGraw-Hill, 1991).  

Bell no ganó el premio, pero hoy hay un premio que lleva su nombre, para trabajos sobre fundamentos de la física cuántica.

Brindemos por el pelirrojo genial, el ingeniero cuántico de Belfast que no ganó el Nobel.  Que sea con cerveza irlandesa, Guinness.  O si no con Carlsberg, la cerveza danesa de Niels Bohr y Morten Meldal.

Publicado en El Unicornio

Octubre 16 de 2022

 

Experimentos de la doble doble rendija rendija

Experimentos de la doble rendija                   

Por Jorge Senior

 

Lo que solemos llamar “el experimento de la doble rendija” es en realidad una serie de experimentos diferentes a lo largo de más de dos siglos.

1.       El experimento que inauguró este camino asaltado de sorpresas y lleno de asombros fue el que realizó Thomas Young en 1801.  Este es un experimento casero que podemos reproducir con elementos baratos de la cotidianidad, pero no por ello deja de ser tremendamente ingenioso y exigente en cuanto a la preparación cuidadosa. 

El experimento de Young se da en el contexto del debate centenario entre dos concepciones sobre la luz: la newtoniana de carácter corpuscular y la de Hooke y Huygens de carácter ondulatorio.

Sin entrar en detalles técnicos el diseño consiste en pasar un haz de luz (preferiblemente monocromática) por una rendija y observar el patrón que se forma cuando la luz llega hasta una pantalla.  Este patrón puede ser consistente con ambas concepciones.  Pero el asunto se torna interesante cuando son dos rendijas en disposición adecuada.  Entonces se forma un claro patrón de franjas paralalelas, fácilmente explicable para la concepción ondulatoria como un patrón de interferencia, pero no asimilable para la visión corpuscular.  Éste sería, pues, un experimentum crucis.  El experimento fue presentado en la Royal Society.  Y su consecuencia histórica es que la concepción ondulatoria de la luz se impondría ampliamente en ese siglo.

2.       En el siglo XX se realizan nuevas versiones del experimento en el marco del surgimiento y desarrollo de la mecánica cuántica.  En 1900 Max Planck había planteado la hipótesis cuántica como un truco matemático para modelar el fenómeno de la radiación de cuerpo negro. En el annus mirabilis de Einstein éste formuló una interpretación física del “cuanto de luz” (despúes llamado “fotón”) para modelar el efecto fotoeléctrico.  Esto parecía ir en contravía de la interpretación ondulatoria de la luz ya plenamente aceptada, incluso por Einstein que trabajó la Relatividad Especial y luego la General aceptando las ecuaciones de Maxwell y la idea de campo. 

En 1909 el británico Geoffrey Ingram Taylor hizo un experimento de doble rendija con luz de muy baja intensidad aproximándose a lo que sería un experimento de 1X1 o fotón por fotón.

En el Congreso de Solvay de 1911 Einstein defendió la tesis de la “doble naturaleza” de la luz que obtuvo gran oposición, entre otros del propio Planck.  Después vendría el modelo cuántico del átomo de Niels Bohr en 1913.  Einstein realiza otros aportes en esa línea de la cuantización (uno de los cuales prefigura el láser en 1916) y en los años 20 se desata la revolución física de Pauli, Schroedinger, Heisenberg, Dirac, Born, etc. En este contexto De Broglie presenta en 1924 su tesis doctoral sobre la “doble naturaleza” del electrón que recibe confirmación experimental en 1927 por parte de George Paget Thomson (hijo de J.J.) en Universidad de Aberdeen y de Clinton Joseph Davisson y Lester Halbert Germer, en Laboratorios Bell.  Luego se establecería la “doble naturaleza” de otras partículas.  Así pues, materia y radiación electromagnética exhiben esa característica de aparecer en unos experimentos como partículas y en otros como si fuesen ondas, dualidad experimental a la cual, erróneamente, se le llama “doble naturaleza”.

En 1955 Gottfried Mollenstedt y Heinrich Düker obtienen franjas de interferencia con un microscopio electrónico gracias a su invención del biprisma de electrones.  Y en 1961 Claus Jönsson realiza experimentos de rendijas que evidencian interferencia de electrones.

3.       Experimento 1X1 de Pier Giorgio Merli, Franco Missiroli, Giulio Pozzi, (ver imagen).  En este experimento de 1973 la innovación es la posibilidad técnica de lanzar una por una la partícula de prueba (al vacío) con el sorprendente resultado de que el patrón de interferencia se produce a medida que se van acumulando más y más partículas impactando en la pantalla.  ¡Esto es increíble!  Definitivamente no se trata de un fenómeno de interferencia cinética en tiempo real como sucede con las ondas de un estanque o con el sonido.  En este caso se trata de interferencia de ondas de probabilidad. Pero, ¿qué diablos es eso?  ¿un ente matemático o físico? Al comienzo y al final del viaje tenemos una partícula prefectamente determinada.  Pero al parecer no hay una trayectoria definida para cada partícula individual sino una suma de trayectorias con diferentes probabilidades perfectamente matematizables. ¿Cómo diablos computa la realidad esas trayectorias?  ¿qué es lo que realmente sucede entre el principio y el final del viaje de la partícula?  (Es como si durante el viaje la partícula se comportara como onda).  Este experimento 1X1 con electrone fue reproducido por el físico experimental japonés Akiro Tonomura de la Hitachi en 1989, quien no reconoció la primacía del trío italiano.

 

 

4.       El experimento “cuál vía” (“Which way” experiment): en este diseño se coloca un detector en la “entrada” de una de las rendijas, por así decirlo, para saber por cual vía coge la partícula. El resultado es que el patrón de ondas desaparece como predijo Richard Feynmann.  A esto lo denominan “el colapso de la función de ondas”.  Esto fenómeno es el que se ilustra con humor en el meme del muñeco que mira y no mira, el muñeco representa al detector (ver imagen). 

 

 

En este punto hay que tener rigor en el uso del lenguaje, pues muchos introducen la palabra “observador” como si de un juego a las escondidas entre la realidad cuántica y los seres humanos con conciencia se tratara.  De ahí salen un montón de especulaciones subjetivistas, es decir, mala filosofía, en torno a la fantasía de una conciencia con superpoderes mágicos y capaz de crear la realidad.  Nada de eso.  Los fenómenos cuánticos sucedieron desde el Big Bang y durante miles de millones de años antes de que existiera la humanidad, suceden en las estrellas lejanas sin intervención de humanos y pasan todo el tiempo a nuestro alrededor y hasta en nuestro cuerpo sin necesidad de conciencia alguna al respecto.  Lo que produce el “colapso de la función de ondas” es la interacción del sistema cuántico y el sistema clásico del detector, de ahí que el macrosistema conjunto no sea netamente cuántico.  Es un fenómeno objetivo y debe entenderse desde una teoría de la medición.

 

5.       Experimento de escogencia retardada (“Delayed choice”).  En este diseño el detector se coloca después de la barrera con la doble rendija y el resultado es el mismo que en el experimento anterior (“which way”): el patrón de interferencia desaparece siempre que el detector esté encendido y reaparece siempre que esté apagado (por mucho sigilo que tengas para ir a desconectarlo, bromean los físicos).

 

6.       Experimento de escogencia retardada y borrador cuántico (“Delayed choice quantum eraser”), 1999.  Este diseño experimental es mucho más complicado, pues además del rayo láser y la lámina de dos rendijas incluye un cristal especial (que genera entrelazamiento, pues de cada fotón del láser salen dos entrelazados con la mitad de energía), interferometría (beam splitters o desdobladores de haz),  prismas, espejos, un lente y 5 detectores, uno de los cuales hace las veces de pantalla.   

El objetivo del entrelazamiento de fotones es no interactuar con los fotones “señales” sino con sus gemelos entrelazados, apodados fotones “ociosos”.  De esta manera se busca evitar la decoherencia o colapso de función de ondas de los fotones “señales”. 

La idea básica del borrador cuántico es que si desdoblas un haz de fotones en dos “subhaces” que siguen dos rutas diferentes definidas y luego, mediante espejos, los haces confluir y allí los vuelves a desdoblar, vas a obtener dos nuevos subhaces entremezclados, sin que se pueda saber por cual ruta llegó cada fotón de estos dos nuevos subhaces.  Se habrá borrado la información de las rutas previas.

El proceso completo del experimento tiene dos montajes o fases. (1) El primer montaje es el típico experimento de rayo láser y doble rendija, pero con un cristal especial que convierte cada fotón en dos fotones entrelazados con la mitad de energía cada uno.  El cristal está ubicado después de las rendijas por tanto éste es un experimento “delayed choice”.  Luego se ubica un prisma que separa los pares entrelazados de fotones y los manda por rutas diferentes: a) la ruta de los fotones “señal”, con los cuales no habrá interacción, y que, independientemente de por cual rendija hayan pasado (gracias a una lente), van directo al detector-pantalla (en el cual aparecerá el patrón de interferencia o no, resultado esencial del experimento) y  b) la ruta de los fotones “ociosos”, que sí serán medidos.  En esta ruta de los fotones “ociosos”, mediante otro prisma, se separarán los fotones que pasaron por una rendija de los que pasaron por la otra y mediante espejos se enviarán respectivamente a los detectores A y B.  Manejando las distancias se garantiza que un fotón señal siempre llega al detector pantalla antes de que su pareja “ociosa” llegue al detector A o B.  Dado que no se han medido para nada los fotones “señal” debería aparecer un patrón de interferencia.  La medición que define la rendija tomada se ha medido en los fotones “ociosos” y, además, esta medición es posterior, puesto que los fotones “señal” llegan antes.  Pero hete aquí que no aparece patrón de interferencia.  ¡Asombroso!  ¿Cómo puede influir una medición posterior en algo que sucedió antes?  (De todos modos considérese que esta influencia es a través del entrelazamiento cuántico que es una especie de “acción a distancia instantánea”, sólo que en este caso ni siquiera es instantánea sino hacia el pasado, lo que algunos llaman “retrocausal”).

(2) El segundo montaje utiliza el sistema de “borrador cuántico” que ya explicamos antes, desdoblando haces y luego revolviéndolos de tal manera que ahora los fotones llegarán a otros dos detectores C y D, pero con estos detectores no se sabe por cual rendija pasaron. Se ha borrado la información.  Lo sorprendente ahora es que si sólo utilizamos los detectores C y D el patrón de interferencia reaparece.  Y no olvidemos que esta medida con los fotones “ociosos” hecha en los detectores C y D puede ocurrir mucho después de la llegada de los fotones “señal” al detector-pantalla.  En principio los detectores A y B y los detectores C y D podrían estar a millones de kilómetros y aún así se produciría el efecto de que la medición con A y B destruye el patrón de interferencia en la pantalla y con los detectores C y D se restaura.  Pareciera que con información se destruye, sin información se restaura, y todo ello con “retrocausalidad”.   

 

7.       Experimento con moléculas, 2013.  El experimento cuántico de la doble rendija se ha realizado con diferentes tipos de partículas, con átomos enteros, con moléculas pequeñas y algo más grandes como la buckyball de Carbono 60.  El récord está en 810 átomos con 10.000 masas atómicas, establecido en 2013.  Esto nos lleva a la siguiente pregunta: ¿cuál es la frontera entre el nivel cuántico de la realidad y el nivel clásico? ¿hay una frontera para la decoherencia?