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sábado, enero 06, 2024

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.

domingo, febrero 13, 2022

Crítica al libro El físico y el filósofo de Jimena Canales



Hace pocos días acabé el texto de Jimena Canales sobre Einstein y Bergson. Las recensiones hay que escribirlas cuando la lectura aún está fresca, así que aquí va una reseña algo extensa pero de elaboración rápida.

Leí el texto de la historiadora mexicana porque ví en medios y redes algunas críticas y comentarios positivos.  Al parecer ha tenido acogida. Además, la historia de la ciencia y de la filosofía hace parte de mis intereses intelectuales y en ese marco he trabajado el caso de Albert Einstein, su obra y la física relativista (ver otras entradas de este blog).  Sobre Bergson, en cambio, conozco poco, pero el tema de la concepción del tiempo, que es la columna vertebral del libro, resulta fascinante.

La portada trae una frase que no sé si es subtítulo o epígrafe, la cual dice: “Albert Einstein, Henri Bergson y el debate que cambió nuestra comprensión del tiempo”.  De entrada aflora aquí el problema más protuberante del texto: exagerar la importancia de ese debate el 6 de abril de 1922 entre un filósofo famoso y consagrado con un joven físico que acababa de saltar a la fama.  Todo el libro es un intento por darle a ese debate una trascendencia histórica, pero no lo logra.  No convence.  No es casual o circunstancial que ese debate haya sido olvidado, pues a todas luces es una discusión obsoleta y superada, a menos que a estas alturas del siglo XXI uno sea un creyente o un filósofo subjetivista, irracionalista e idealista y además anticientífico (o ignorante de la ciencia).  Resucitar ese cadáver justo cuando se va a cumplir el centenario es un buen truco editorial y quizás pueda anotarse un éxito de ventas.

Pero el asunto va más allá.  Sostengo que la tesis central del texto no es que ese debate fue de importancia trascendental y que cambió nuestra concepción o comprensión del tiempo, sino otra aún más exagerada: que el debate está abierto, que sigue vigente, y que la filosofía de Bergson tiene actualidad.  Es decir, el libro, que se presenta como de historia de las ideas científicas y filosóficas, termina siendo un texto de filosofía actual donde la historia es instrumentalizada para sostener la tesis de la vigencia de unas ideas equivocadas.  Ese giro me hizo sentir estafado, aunque eso no es más que un sentimiento subjetivo de mi parte frente a las expectativas que tenía.  No me atrevo a calificar de deshonesta esa envoltura, pero sí creo que la historiografía debe evitar los anacronismos y ser clara en sus propósitos.  Entonces, además de exageración hay un claro sesgo bergsoniano o pro-Bergson.  La autora se convierte en la abogada de Bergson, sólo que su estrategia de defensa es recrear la historia con criterio selectivo y utilizando la figura de Einstein de señuelo.

Historiografía de diatribas

En su ejercicio historiográfico la autora se concentra en las críticas, resistencias y diatribas que recibieron las dos teorías de la relatividad en las primeras décadas del siglo XX.  Es un tema interesantísimo desde el punto de vista histórico.  Como suele suceder con toda teoría revolucionaria que choca contra formas de pensar muy enraizadas, su aceptación se hace lenta y difícil.  De ahí que Kuhn y otros han recalcado que  a veces se necesita el relevo generacional para que el nuevo paradigma predomine.  En el caso de la TGR (Teoría General de la Relatividad), como se sabe, las pruebas experimentales que corroboraron sus predicciones se produjeron en su mayoría después de la muerte de Einstein.  Al comienzo, la nueva base empírica de la TGR que marcaba la diferencia con la teoría de la gravitación clásica de Newton fueron tan sólo la precesión del perihelio de Mercurio y las mediciones del cambio de posición aparente de las estrellas visibles cerca al Sol durante un eclipse total realizado por un equipo dirigido por Eddington en mayo de 1919 en África y Suramérica.  Ambas mediciones son difíciles y susceptibles a error, generando dudas hasta que no se repliquen al cabo de décadas.  Esta debilidad empírica inicial es explotada a fondo por la autora, y si bien es pertinente para conocer la situación en los años 20 del siglo pasado, el hecho fundamental es que tal debilidad fue superada con creces al pasar las décadas, algo que la autora no valora.

Debido a lo anterior considero que este libro es peligroso para un lector que no sea conocedor de la Relatividad, su poderosa base empírica y su exitosa historia.  Un lector inocente podría quedar con la idea de que la Relatividad, tanto la Especial como la General, no son conocimiento supremamente sólido, de lo mejor que tiene la ciencia actual.  En parte esto sucede por el sesgo de la autora al trabajar con un enfoque de historia externa, exagerando su relevancia, y descuidar casi por completo la historia interna que es la determinante en la ciencia. La externa se refiere al contexto histórico, tecnológico, social, político, religioso, étnico y personal, mientras la interna es la que aborda la propia problemática científica, en este caso en la física.  En lo externo puede incluirse la filosofía de la época.  Al hacerlo, la autora confunde el contexto de descubrimiento con el contexto de justificación.  Es cierto que esta dicotomía fue criticada, y que ya no se puede asumir ingenuamente esa distinción, pero no considero que haya sido invalidada en absoluto (asunto que podemos discutir en otro momento: precisamente la Relatividad General es un buen ejemplo del desfase temporal entre el descubrimiento y la justificación tardía).  De hecho, una característica de la ciencia es que sus teorías no son de autor, es decir, pueden originarse en un autor pero terminan con vida independiente, a diferencia de lo que suele suceder en filosofía e incluso en ciencias sociales.

El texto insinúa un enfrentamiento entre dos bandos, los físicos y los filósofos, para luego aclarar que no es así, que había, como es apenas obvio, científicos contrarios a Einstein y filósofos a su favor.  Otra cosa es que en el debate Einstein se afincaba en la física y descalificaba la filosofía (por lo menos la de Bergson, con la frase lapidaria “el tiempo de los filósofos no existe”), mientras que Bergson sabía que no tenía argumentos científicos contra Einstein y entonces se atrincheraba o se refugiaba en la filosofía, como dominio propio y ajeno al del científico.  Un viejo truco que viene desde los tiempos de Galileo y Descartes hasta Duhem y Bergson (también lo usa Stephen Jay Gould en su tesis de “los dos magisterios”).  Estoy de acuerdo en que la ciencia no agota el conocimiento y que aunque desplaza a la filosofía en algunos temas, ésta sigue siendo necesaria. Sí, pero no cualquier filosofía.  Una buena filosofía en esta época no choca contra la ciencia, sino que interactúa con ella. Es lo que llamamos Filosofía Científica.  Una filosofía que ayuda a fundamentar mejor la ciencia y que mira más allá de los estrechos marcos especializados de las disciplinas.  De ahí la necesidad de trabajar semántica filosófica, ontología y epistemología en consonancia con la ciencia y en especial con la física fundamental (Relatividad, Cuántica y Termodinámica).

Otro recurso que aprovecha la autora es también muy interesante en el plano histórico, pero de nulo valor como argumento en una discusión actual.  Es el hecho de que los principales predecesores de la Relatividad como Lorentz, Poincaré, Michelson, Mach, nunca la aceptaron, con diversos argumentos (para mí estos son los capítulos más interesantes).  Lo que no dice la autora es que hoy sabemos que esos argumentos eran equivocados y que Einstein tenía razón, porque supo ver lo que otros no vieron. 

En esta misma dirección está el caso de Eddington que fue quien catapultó a Einstein a la fama y apuntaló su teoría con sus mediciones, pero que luego fue confuso en su posición filosófica al examinar las implicaciones profundas de la teoría sobre la concepción del espacio-tiempo-gravedad.  Otro caso fue Bridgman, a quien se suele considerar el gran defensor del operacionalismo, una forma específica de empirismo.  Cuando Einstein creó la TER (Teoría Especial de la Relatividad) utilizó el razonamiento operacionalista con relojes, trenes y “rayos” de luz.  Pero en ese mismo proceso, Einstein usó una vía racionalista axiomática, un racionalismo que luego se hizo más evidente en la TGR.  Bridgman nunca digirió este racioempirismo einsteiniano.  Peor para él.

Asimismo Canales rescata del olvido a una serie de personajes que armaron diatribas contra Einstein, pero la conclusión que uno puede sacar de esos capítulos es que tales personajes tenían un olvido bien merecido, pues sus diatribas carecen de valor. Esto contrasta con notorias e imperdonables ausencias, tanto en el campo científico como filosófico.  Por ejemplo, hay un breve capítulo sobre la cuántica, que es utilizado para hablar de la polémica posición de Einstein frente al indeterminismo y el azar, pero curiosamente no se menciona a Dirac y al empalme entre la cuántica y la TER, es decir, no se habla de los desarrollos cuántico-relativistas. Tampoco se habla del denominado “principio de indeterminación” que asocia las magnitudes de tiempo y energía.  En el campo de la filosofía apenas hay un capítulo muy breve y superficial dedicado al empirismo lógico con énfasis en Reichenbach. De Popper ni se habla.  Bertrand Russell sí es mencionado, pero mucho menos que Whitehead, a pesar de Russell lo dejó muy atrás en talla filosófica. También menciona a Quine, pero de una manera poco integral, sesgada.  En últimas, la autora practica el cherrypicking, armando un popurrí de diatribas (actualmente obsoletas) que pareciera que buscan sembrar la duda anti-Einstein.

Física relativista

No obstante, al lector avezado le surgen, más bien, dudas sobre la comprensión y competencia de la autora en temas de física relativista. En su extensa bibliografía aparece Tim Maudlin, pero no pareciera haberlo leído.  De hecho, si alguien escribe un libro filosófico sobre el tiempo, su obligación ineludible es la interlocución con filósofos de la física, cosa que Canales no hace. Y éste es otro sesgo marcado: la autora definitivamente está alineada en la “filosofía continental” y distanciada de la denominada “filosofía empírico-analítica” (ambas etiquetas son pésimas, pero la división en esas dos vertientes más o menos refleja la realidad del campo filosófico; por cierto, Canales menciona brevemente esta división tradicional). 

Las consecuencias se observan en el tratamiento de los temas de física.  Un caso es la famosa “paradoja de los gemelos” que aparece en abundancia, pues ocupó un lugar central en la discusión, especialmente por parte de Paul Langevin, amigo de Einstein.  Pues bien, la tal “paradoja” hace rato dejó de ser tal y perfectamente serviría para evidenciar que en el debate de hace un siglo Einstein tuvo razón y Bergson estaba equivocado.  En resumen, la situación de los gemelos no es simétrica, el gemelo viajero (a velocidades significativamente altas) sí envejece menos que el gemelo sedentario. Hoy sabemos de sobra que el tiempo (su magnitud) es relativo dependiendo de la gravedad y de la velocidad de los sistemas de referencia en comparación y que eso afecta todo, desde las partículas subatómicas hasta los organismos vivos (uno de los puntos donde Bergson se equivoca debido a su filosofía idealista y subjetivista).  La autora incluso menciona de paso la tecnología de GPS, cuando debería subrayarla pues muestra la potencia de las dos teorías relativistas.  Desde luego es válido e interesante recrear las dudas y exploraciones del asunto hace cien años, pero no dejar en el aire la sensación de que el asunto sigue abierto.

Otro caso es el de la velocidad de la luz y el uso privilegiado que hace Einstein de los “relojes de luz”.  Los cuestionamientos a este lugar que ocupa la velocidad de la luz como constante fundamental de la naturaleza tenían sentido en aquella época pero no ahora.  Ya mencionamos que Einstein usó una estrategia en la TER, en 1905, que desde la epistemología llamaríamos racioempirista.  Esto es apenas una muestra de algo profundo que hay que entender: Einstein no sólo hizo una revolución en la física sino además en la filosofía.  Al lado de su operacionalismo de los conceptos (por ejemplo el concepto de “simultaneidad”), en la argumentación su punto de partida fue axiomático y, por ende, racionalista.  Einstein comprendió que había tres axiomas que no se sostenían en conjunto: el principio de relatividad de Galileo, el espacio y tiempo absolutos de Newton y la velocidad de la luz constante de Maxwell.  Einstein (influido por Mach) se queda con Galileo y Maxwell y rechaza a Newton en ese punto.  Increíblemente la autora no menciona a Maxwell, cuya teoría debería ser epicéntrica cuando el tema es la velocidad de la luz.  Los axiomas son postulados, pero en este caso el postulado proviene o se fundamenta en otra teoría bien probada.  Lo que Einstein descubrió fue algo asombroso: que en el universo hay una velocidad límite.  Que esa velocidad sea la de la luz proviene de que el fotón carece de masa en reposo, pero eso se aprendería después con el desarrollo de la mecánica cuántico-relativista.  Hoy sabemos que toda partícula sin masa en reposo se moverá a la velocidad límite, donde el tiempo no transcurre, como es el caso de la luz y de las ondas gravitacionales.  Así que los “relojes de luz” sí son privilegiados, por más que le choque a Bergson.  La posición de Einstein fue clara y acertada.  Ahora bien, si lo que se quiere cuestionar es por qué la velocidad límite tiene ese valor y no otro, más allá de Maxwell, entonces toca recordar que eso es muy común en la física.  Hay más de 25 constantes en la física que entran en la teoría como datos pues sus valores no se derivan de la propia teoría.  No puedo extenderme demasiado para no alargar lo que apenas pretende ser una reseña sucinta, así que simplemente concluyo que el tratamiento al tema de la constancia de la velocidad de la luz es insatisfactorio, aunque la autora aporta detalles informativos curiosos e interesantes, pero no precisamente relevantes.

Ese punto de qué es lo relevante a la hora de debatir sobre concepciones del tiempo es clave.  Desde luego el criterio de relevancia depende de nuestro conocimiento actual y también de nuestra posición filosófica.  Por ejemplo, Canales, siguiendo a Bergson, le da gran relevancia a tecnologías de la época, como el cinematógrafo.  Sin duda la tecnología de la época tiene una influencia heurística en los creadores y descubridores y un impacto directo en las posibilidades experimentales.  Pero la justificación de una teoría sólo depende de la tecnología en el segundo aspecto, o sea en lo experimental.  El impacto de la tecnología en el arte y la cultura popular es poco relevante para la ciencia.  Einstein se inspiró en trenes y ascensores, espejos, relojes y linternas, las propuestas inventivas que atendió en la oficina de patentes ayudaron a su imaginación y razonamiento, pero a la postre ni la TER ni la TGR dependen de tecnologías específicas.  Ese conocimiento sobre la naturaleza no es relativo a la tecnología de la época.  Más bien, al revés, ese conocimiento ayudó al desarrollo de nuevas tecnologías.  En mi concepto la autora exagera la relevancia de la tecnología en cuanto a los temas que estaban en discusión.  Por ejemplo, el cinematógrafo nada tiene que ver con la justificación de la Relatividad.  Sí es pertinente hablar del desarrollo de nuevos aparatos sensores o de medición automatizados, para enfatizar, en el marco del debate y del contexto de descubrimiento, que el observador humano es prescindible y hasta ahí (otro punto en que Einstein tenía razón). Esto nos lleva a la dicotomía entre tiempo físico y tiempo psicológico (no mencionaré el tiempo histórico que es de índole narrativa y cultural, un tema más alejado).

De acuerdo a nuestro conocimiento actual, la especie humana es un producto evolutivo de reciente aparición en un universo que lleva en expansión 13.800 millones de años.  El género Homo surgió hace unos 3 millones de años, el Homo Sapiens hace unos 300.000 y la civilización hace unos 5 mil años.  La existencia de la materia, la energía, el espacio y el tiempo antecedió en mucho a la humanidad y, por ende, no dependen en absoluto de la conciencia humana o de los vaivenes civilizatorios.  El tiempo objetivo es una realidad física anterior al humano, por lo que es objeto de estudio de la física.  Tema distinto es la percepción por parte de animales de esa realidad física que llamamos tiempo.  A la percepción del tiempo por el animal humano la llamamos tiempo psicológico, para diferenciarla del tiempo en sí o tiempo físico, aunque deberíamos denominarlo tiempo neuropsicológico o biopsicológico, pues la percepción es ante todo un fenómeno biológico que involucra los órganos de los sentidos y el SNC (Sistema Nervioso Central). Este tiempo psicológico es estudiado por la neurociencia y la psicología experimental. 

Para Bergson, según el libro de Canales, el tiempo físico del que hablaba Einstein en su teoría podría afectar relojes, pero no a los seres vivos, orgánicos y menos a la conciencia.  Grave error, pues el tiempo físico afecta a todos los procesos materiales y tanto la vida como la conciencia son materiales.  Pero esto no podía ser comprendido por un filósofo que partía de un idealismo religioso (y por ende equivocado) que mitifica la vida y la conciencia.  Bergson creía en entelequias como el élan vital y el espíritu, entidades inexistentes como se evidencia por el hecho de que la investigación científica no sólo no ha encontrado tales entidades sino que además prescinde de ellas para toda explicación.  La Relatividad distingue el “tiempo propio” del tiempo relativo en sus magnitudes comparables entre dos sistemas de referencia diferenciados en velocidad y/o en gravedad.  En la percepción del gemelo viajero y el gemelo sedentario el tiempo transcurre igual, ellos no notan nada diferente, hasta que se vuelven a encontrar y comparan sus relojes, su percepción del tiempo transcurrido y su envejecimiento orgánico.  En tal comparación es que aparece la diferencia que nos permite afirmar con fundamento que el tiempo es relativo.

Estos aspectos no son aclarados por la autora, pues prefiere dejarlos en la bruma.  Si el libro consistiera en ponerse en los zapatos de Bergson y en los de Einstein en 1922, de modo tal que se invite al lector a viajar en el tiempo a esa época, hace un siglo, y entender el debate en los términos propios de la época, entonces sería correcto no aclarar lo que sucedió después y llegar a nuestro conocimiento actual.  El problema es que la autora no se queda en 1922 sino que abarca las décadas subsiguientes hasta la muerte de Bergson en 1941 y de Einstein en 1955, y luego sigue hasta el presente, habla de Deleuze, de los posmodernistas, de Sokal y Bricmont, insinuando que el debate sigue vivo. Es por esto que sí constituye una falla grave no interlocutar con la ciencia y la filosofía científica actual, aclarando cómo esos puntos de discusión se dirimieron de manera experimental tanto en la primera como la segunda mitad del siglo XX. 

Hay desde luego temas sobre concepción del tiempo que siguen abiertos, tres en concreto. (1) Uno es el debate entre eternalismo y presentismo que tiene que ver con el fluir del tiempo.  Einstein defendía el eternalismo y consideraba el fluir del tiempo -que todos sentimos- como una ilusión, una posición que llevó a Popper a llamarlo “el Parménides del siglo XX”.  La detección de ondas gravitacionales a partir de 2015 parece darle la razón a Einstein y a los eternalistas como Gustavo Romero.  Pero aceptemos que ese punto sigue en discusión, pero no por Bergson, sino porque muchos filósofos defienden el presentismo (como Bunge, por ejemplo), pues tiene un punto fuerte: estar acorde con el sentido común.  (2) El segundo es el antiguo tema de la divisibilidad del tiempo, es decir, si es discontinuo o continuo. Para la Relatividad es continuo.  Pero desde el ángulo de la física cuántica se apuesta por la discontinuidad (ver por ejemplo los libros de Carlo Rovelli).  Sin embargo, aún no existe una teoría firme de la gravedad cuántica, por tanto no se puede afirmar la discontinuidad del tiempo como un conocimiento científico establecido.  El punto sigue en discusión y hace parte de la contradicción entre cuántica y relatividad, un choque que se supone debe resolverse a favor de la cuántica, algo que está por verse.  (3) El tercero es la flecha del tiempo que tiene en la entropía, el decaimiento beta y la expansión del universo tres indicadores cimentados en la física y la cosmología.  Para unos la termodinámica es emergente, no física fundamental, pero yo estoy en sintonía con la idea contraria: la entropía es un concepto fundamental que no sólo tiene que ver con el calor y agregados de partículas.  Esto se ve más claro cuando estudiamos el inicio de la expansión (“universo temprano”) con baja entropía pero muy caliente y en equilibrio termodinámico (casi).

Los tres puntos del párrafo anterior no son los únicos que permiten problematizar la TGR.  También está por ejemplo la frontera de las singularidades en el inicio del Big Bang  y en el centro de los agujeros negros.  Son debates abiertos en pleno furor, pero Bergson practicamente nunca es mencionado en ellos.  Sencillamente, no es relevante.  Habría que ver si en neurociencias y psicología experimental sucede lo mismo.  Sospecho que sí, pero dejo al lector la tarea de revisar esa literatura.

El lado bueno del libro

A pesar de los profundos defectos mencionados, el libro contiene información abundante sobre detalles de la época, digamos de las primeras tres décadas del siglo XX.  Se apoya en una amplia bibliografía y creo que sí hay un esfuerzo serio de documentación.  A veces hasta se pasa en la información, exhibiendo minucias del nivel de los chismes.  ¡Hasta la próstata de Poincaré aparece en ese libro!

Al centrarse en historia externa, Canales examina aspectos como la cuestión judía de entonces (los dos protagonistas eran judíos), el sionismo, la iglesia católica, las guerras mundiales y la entreguerra, la política, los nacionalismos, las nuevas tecnologías de entonces, la atmósfera cultural, diversas corrientes filosóficas, el tratamiento mediático y múltiples alusiones al entorno personal de los protagonistas.  Por ejemplo, parece haber una intención de mostrar a Einstein como un vanidoso, un tipo siempre pendiente de su imagen, como si ello tuviera relevancia frente al tema de fondo.  Todo ese recorrido sinuoso por recovecos de época, hacen del libro un laberinto narrativo, a ratos entretenido, pero no libre de sesgos.  Llamar “secuaces” o “esbirros” a los defensores de alguno de los protagonistas no es apropiado e incluso contradice su propósito de darle nivel de trascendencia al debate de 1922.    

Invito a leer el libro de Jimena Canales, aunque sólo sea por el aspecto informativo de época.  Y que esta reseña sirva como advertencia para que el lector esté en guardia y no caiga en el juego de vueltas y más vueltas de la autora, no sea que termine mareado y tragándose el cuento de la vigencia de Bergson.  

viernes, marzo 19, 2021

Albert Einstein y la dosis sana de dogmatismo


Albert Einstein y la dosis sana de dogmatismo

Por Jorge Senior

Popper solía poner de ejemplo de actitud no dogmática a Einstein, especialmente con relación a la Relatividad General y la predicción diferencial con respecto a la mecánica celeste de Newton sobre el comportamiento de la luz al pasar cerca del Sol, puesta a prueba en el eclipse solar del 29 de mayo de 1919.  Este caso trata de la curvatura local del espacio-tiempo.

Sin embargo, la teoría especial de la relatividad fue refutada por experimentos poco después de formulada en dos fulgurantes artículos de 1905 en la revista alemana Anales de Física (Annalen der Physik).  Como veremos, en este episodio se refuta esa imagen ejemplarizante y aleccionadora del gran científico judío en la retórica popperiana.

La falsación de la teoría especial de la relatividad que se estudiará en este breve artículo fue realizada por el físico experimental Walter Kaufmann.  Este físico judío alemán tiene el mérito de haber sabido apreciar la diferencia clave entre la “teoría del electrón” de Einstein y la de Lorentz, que al principio muchos no captaron debido a que hacían predicciones idénticas. 

Einstein utilizó las tranformaciones de Lorentz, pero su aporte fue mucho más revolucionario: crear una nueva cinemática, nada menos.  Toda la primera parte del artículo seminal Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento está enfocado en la cinemática.  Allí Einstein aniquila el concepto absoluto de simultaneidad y sustenta la relatividad de longitudes y tiempos con respecto a los sistemas de referencia (que el autor llama sistemas de coordenadas, un detalle semántico que se corregirá después), prescindiendo por completo del éter.  También encuentra que la velocidad de la luz es una velocidad límite*, algo que ya Thomson (1881, 1893), George Searle (1897) y Hendrik Lorentz (1899, 1900) habían predicho y calculado.  Luego, en la segunda parte, Einstein pasa a analizar la electrodinámica con ese nuevo marco cinemático de modo tal que el electromagnetismo, en sus diversas manifestaciones, y su marco teórico elaborado por Maxwell, queden incluídos en el principio de relatividad de Galileo.  Es decir, logra ampliar este principio más allá de la mecánica, gracias a abandonar el espacio absoluto de Newton y el tiempo absoluto de Galileo y Newton.

En esa segunda parte del artículo Einstein aborda varias aplicaciones de la teoría a modelos específicos electrodinámicos.  En el punto 10 trata la dinámica del electrón, una partícula descubierta apenas diez años antes por J.J. Thomson.  Dice García Márquez en su obra maestra Cien años de soledad que en Macondo “el mundo era tan reciente que muchas cosas carecían de nombre”.  Así sucedía en la nueva física que estaba surgiendo en los inicios del siglo XX, por lo cual Einstein empieza ese acápite con la frase: “Sea una partícula electricamente cargada con carga e (en adelante llamada un «electrón»)”.  En otro artículo de 1906 sugiere, como era su estilo, un experimento con rayos catódicos que podría poner a prueba sus ecuaciones de movimiento del electrón.

Pero los experimentos que se venían haciendo por parte de Kaufmann desde comienzos de siglo no eran con rayos catódicos (electrones rápidos) sino con rayos Beta (electrones aún más rápidos) analizando la desviación producida por campos eléctricos y magnéticos.  Su más significativo logro fue haber ofrecido en esos años la primera prueba de la dependencia de la masa con respecto a la velocidad en el caso de los electrones (se refiere a “masa electromagnética”, después llamada “masa relativista” (Gilbert Lewis y Richard Tolman en 1909), un término que Einstein nunca avaló y que hoy ya no se utiliza salvo para efectos pedagógicos o de divulgación).  En 1905 Kaufmann informó que sus resultados experimentales y las predicciones de Einstein-Lorentz eran inconsistentes, llevando a una intensa discusión en la comunidad de físicos y sucesivos experimentos a lo largo de varios años en diversos laboratorios hasta que en 1916 por fin se zanjó el debate gracias a los trabajos de Guye y Lavanchy (otros dirán que no, que sólo se zanjó en 1940 con los experimentos de Marguerite Rogers, A.W. McReynolds y F.T. Rogers, Jr. publicados en Physical Review de EEUU, pero ya desde 1917 la fórmula de Einstein-Lorentz se había probado por otra vía en el trabajo sobre estructura fina de las líneas de hidrógeno por Karl Glitscher con fundamento en las elaboraciones de Arnold Sommerfeld).

¿Cuál fue la actitud de Einstein ante los resultados experimentales incompatibles con su teoría? 

A diferencia de Lorentz que expresó su famosa frase derrotista “au bout du mon Latin”, Einstein ripostó con escepticismo y dudas sobre tales datos.  A esto ayudó que Planck revisó minuciosamente los experimentos de Kaufmann y sentenció que no eran lo suficientemente precisos para considerarlos refutación de las predicciones de Einstein-Lorentz.  Algo parecido informó Röntgen.  En 1907 Einstein, analizando los datos de Kaufmann, escribió: “El que las desviaciones sistemáticas estén basadas o no en una fuente de error todavía no considerada, o en una falta de correspondencia entre los fundamentos de la teoría de la relatividad y los hechos, sólo puede decidirse con seguridad cuando dispongamos de datos experimentales más numerosos” (Collected papers, vol. 2, doc. 47, pp. 434-484).

La crítica a los datos experimentales no fue el único sustento de la actitud mesuradamente dogmática de Einstein.  También tenía razones teóricas.  Por ejemplo, las teorías alternativas de Abraham y Bucherer** (también Langevin) con ecuaciones de movimiento del electrón basadas en hipótesis dinámicas -que Einstein consideraba arbitrarias- le resultaban difíciles de aceptar.  En el mismo artículo de 1907 argüía: “En mi opinión, no obstante, hay que conceder una probabilidad más bien pequeña a dichas teorías, puesto que sus hipótesis fundamentales sobre la masa de un electrón en movimiento no están apoyadas por sistemas teóricos que engloben complejos de fenómenos más amplios”. 

Esta crítica al fundamento teórico de las hipótesis en competencia muestra el aspecto epistemológico racionalista que Einstein siempre mantuvo, su confianza en la potencia de la teorización, complementario al empirismo propio de la ciencia experimental.  La epistemología de Einstein era racioempirista.  En su concepción, la “teoría del electrón” (en concreto sus ecuaciones de movimiento) era sólo un teorema o aplicación teórica deducida desde un marco teórico mucho más amplio, la nueva cinemática que había propuesto y sus aplicaciones generales a la electrodinámica y que en 1907 ya Einstein y otros llamaban “la teoría de la relatividad”.  Sin duda, Einstein concebía su teoría de la relatividad de 1905 como un sistema axiomático, cuyos axiomas eran: (1) el principio de relatividad (que modificaba el de Galileo con las transformaciones de Lorentz) y (2) la constancia de la velocidad de la luz* (como ley natural establecida en la teoría electromagnética de Maxwell).  En el artículo seminal, sin embargo, no usa el término “axiomas”, sino “postulados”, para referirse a los que también denomina “principios” (principios cinemáticos fundamentales).  A la “teoría del electrón”, un estructuralista actual la denominaría Modelo Potencial Parcial (MPP) de la Teoría Especial de la Relatividad (TER).

Esta pequeña viñeta de la historia de la física que hemos resumido aquí nos muestra un Einstein diferente al héroe falsacionista popperiano.  Admitamos que el propio Popper tuvo que morigerar su falsacionismo y terminó acuñando esta hermosa expresión: “dosis sana de dogmatismo”, asumida como una cualidad necesaria.  En el episodio narrado no cabe duda que Einstein hizo gala de tal dosis, utilizando para ello la crítica de los datos y la crítica del marco teórico alternativo, como recursos argumentativos.  Esta actitud hasta cierto punto dogmática es imprescindible en la ciencia porque el proceso de contrastación empírica no es instantáneo, sino que se prolonga en el tiempo.  ¿Meses? ¿Años? ¿Décadas?  No hay una regla, simplemente hasta que la comunidad científica agote el asunto.  Esto significa que la evaluación de los modelos de cambio científico es dependiente de la escala de tiempo.  En el tema mencionado del electrón pasaron 11 años, pero por ejemplo en la predicción de las ondas gravitacionales pasó casi un siglo.  Y no se debe olvidar que incluso si el asunto se zanjara negativamente para una teoría, la dosis sana de dogmatismo tiene alternativas como recortar el dominio de aplicación, alterar el “cinturón protector” o proponer hipótesis ad hoc.  Como si fuera poco, las teorías refutadas pueden seguir siendo utilizadas en la práctica si hay ventajas en ello.  Y no sólo en la práctica, también en la teoría pueden ser sacadas de la gaveta histórica para ensayar una versión modificada.  Es lo que sucede con la física newtoniana, ampliamente usada en ingeniería pero también desempolvada para ensayar enfoques newtonianos modificados en estudios cosmológicos sobre la gravedad (hipótesis MOND alternativa a la materia oscura).

*Nota: la “velocidad de la luz en el vacío” es una constante fundamental de la naturaleza, pero no por tratarse de la luz o porque el electromagnetismo tenga un protagonismo especial.  Las ondas gravitacionales, por ejemplo, también se propagan a esa misma velocidad.  En física relativista esta constante fundamental es una velocidad límite que corresponde a cualquier objeto sin masa en reposo (masa invariante).  La luz tiene esa velocidad por el hecho circunstancial, experimental pero no exigido por la teoría, de ser el fotón una partícula sin masa en reposo. 

**Hay que reconocerle a Bucherer a que en 1908 hizo experimentos en los cuales concluyó que su propia teoría estaba equivocada y las equivalentes de Lorentz-Einstein eran consistentes con los resultados.

sábado, marzo 06, 2021

Los 10 experimentos más bellos de la historia

 En septiembre de 2002 la revista Physics World publicó los resultados de un sondeo entre sus lectores sobre los 10 experimentos más hermosos de la historia.

Estos fueron los resultados:

1. El experimento tipo doble rendija (pero con biprisma) con patrón de interferencia electrón por electrón (Merli, Pozzi y Missiroli, 1973). Ver la entrada anterior de este blog.

2. El experimento de Galileo de la caída de los cuerpos a comienzos del siglo XVII.  Este experimento fue repetido en la Luna con un martillo y una pluma.

3. El experimento de la gota de aceite de Millikan a comienzos de la segunda década del siglo XX.

4. La descomposición de la luz solar con un prisma por parte de Newton en 1666-7.

5. El experimento de la doble rendija de Thomas Young en 1801 con patrón de interferencia.

6. El experimento de la barra de torsión de Cavendish en 1798.

7. La medición de la circunferencia de la Tierra en el siglo III a.C. por Eratóstenes.

8. El experimento de bolas rodantes por un plano inclinado por parte de Galileo a comienzos del siglo XVII.

9. El experimento de Rutherford con el cual descubrió el núcleo del átomo en 1911.

10.  El péndulo de Foucault en 1851.

En ese momento quizás el público no conocía el experimento Delayed choice quantum eraser de 1999 que sin duda merecería estar en la lista. (ver la entrada anterior en este blog). 

jueves, marzo 04, 2021

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?