Edad Contemporánea – La Mecánica Cuántica (siglo 20)

El estudio de cómo conocemos la realidad, la epistemología, ha sido un hilo conductor fundamental en la historia de la filosofía. El siglo XX introdujo una revolución en la visión de las teorías de la filosofía natural sobre la realidad: la mecánica cuántica.

En 1900, Max Planck, un físico alemán, que trabajaba con las nuevas bombillas de luz inventadas por Edison, notó que el color de la luz cambiaba a medida que el filamento de la bombilla se calentaba, pero solo hasta cierto punto. Se volvía blanca pero no continuaba hasta azul o ultravioleta. No podía explicar la relación entre la temperatura de los filamentos y el color de la luz que producía y lo llamó la "catástrofe ultravioleta".

En 1905, Albert Einstein propuso una teoría para explicar el dilema de Planck y al mismo tiempo otra conexión inexplicable entre luces y electricidad: el "efecto fotoeléctrico".

Einstein argumentó que teníamos que olvidar la idea de que la luz es una onda y pensar en ella como una corriente de pequeñas partículas en forma de bala. El término que usó para describir una partícula de luz era cuanto. Para Einstein se trataba de un pequeño punto de energía y la luz estaba compuesta por pequeñas partículas o cuantos. La opinión física prevalente en ese momento era que la luz era una onda, más precisamente una oscilación del campo electromagnético. Esta naturaleza dual de luz, corpuscular y ondulante, no se parecía a nada que se hubiera visto antes.

La física depende de la experimentación para su avance y la confirmación del doble estado de los electrones llegó a mediados de los años 20 cuando se realizó un experimento en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey, EE. UU. Dispararon un haz de electrones desde un cañón de electrones a una pantalla con dos ranuras para que los electrones pasasen a través de las ranuras y golpeen otra pantalla en la parte trasera. Los científicos descubrieron  que, a escala micro, los objetos físicos tienen una naturaleza dual: según las circunstancias, pueden comportarse como un conjunto de partículas o como una onda. La interpretación estándar nos dice que el electrón se lanza y se recoge como una partícula, pero se propaga como una onda.  Sin embargo la explicación teórica no desentrañaba los mecanismos de este fenómeno.

En 1927, Heisenberg y Bohr presentaron la llamada interpretación de Copenhague de este problema proponiendo que las ecuaciones de onda describían dónde podrían estar entidades como los electrones, pero que las entidades en realidad no existían como partículas hasta que alguien las buscara. El acto de observación causaba su existencia. En las propias palabras de Bohr, las entidades en cuestión no tenían "realidad independiente en el sentido físico ordinario". Este estado de existencia, en todos los estados posibles a la vez, se denominaba superposición coherente: el total de todos los estados posibles en que un objeto pueda existir. Cuando observamos un objeto, la superposición se derrumba y el objeto es forzado a uno de los estados de su función de onda. La interpretación de Copenhague fue probada teóricamente en un famoso experimento de pensamiento (una reflexión de filosofía natural) sobre un gato en una caja: el gato de Schrödinger (1935).

La nueva mecánica cuántica impuso dos restricciones filosóficas fundamentales sobre la teoría del conocimiento: 1. solo podemos saber la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar dado; 2. el observador interactúa con lo que se está observando. Como consecuencia, el determinismo de la física clásica se considera una aproximación a una realidad donde la noción de conocimiento total parece imposible. Desde entonces el objetivo de cualquier interpretación metafísica de la mecánica cuántica es dar cuenta de estas violaciones epistemológicas.

Einstein se declaró muy escéptico de la nueva explicación. Él creía que, aunque se hubiese logrado mucho, los mecanismos de la teoría aún necesitaban ser entendidas. Descartó la idea de que la naturaleza se regía por el azar en su nivel más fundamental declarando:

"Dios no juega a los dados con el universo". Einstein

Para él la descripción probabilística del mundo natural no podría ser la última palabra. Tenía que haber una realidad objetiva, independiente del observador. La mecánica cuántica, por útil que fuera, tenía que ser una teoría incompleta. Creía en un nivel más profundo de la realidad física donde la normalidad de la física clásica existía: el determinismo y la separación del observador y lo observado.

Niels Bohr, por otro lado, vio la mecánica cuántica como una expresión del mundo de lo muy pequeño. Para él, no había razón por la cual las reglas de la física clásica también debieran aplicarse en un ámbito probabilístico y microscópico tan diferente.

En 1949, Bohr publicó Discussions with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics. Aquí encontramos el desarrollo tradicional de la discusión filosófica: tesis contra antítesis. La visión de Bohr era aleatoriedad y microscópica; la de Einstein fue determinista y macroscópico. Discutieron sobre sus respectivas tesis durante años.

Detrás del debate de Einstein-Bohr hay creencias opuestas sobre la física y, más que eso, sobre la naturaleza de la realidad última. La suya fue una "guerra religiosa", alimentada por dos formas muy diferentes de pensar sobre la Naturaleza y nuestra relación con ella.

Después de la segunda guerra se tomó la decisión pragmática de aplicar las ideas de la teoría cuántica y dejar de preocuparse por el lado filosófico. Esto llevó a una comprensión profunda de los semiconductores, lo que ayudó a crear la era electrónica moderna que produjo láseres, revolucionando las comunicaciones, nuevos avances médicos y avances en la energía nuclear. El debate metafísico sobre la realidad del mundo cuántico fue simplemente escondido bajo la alfombra.

A principios de los años 60, John Bell diseñó un experimento para descartar la teoría de Einstein y otros que la física quántica sea incompleta como explicación. Probó experimentalmente que la única forma en que las variables ocultas podrían explicar las predicciones de la física cuántica es si son "no locales", asociadas de alguna manera y capaces de transportar influencias instantáneamente entre ellas, sin importar lo separadas que estén.  Bell redujo esta idea a una sola ecuación matemática, publicada en 1964.

David Bohm nació en los Estados Unidos. Fue invitado a trabajar con Oppenheimer en la bomba atómica. Sin embargo, se descubrió que Bohm se había inscrito brevemente al partido comunista en busca de compatriotas para hablar de Hegel. No encontró ninguno, pero fue marcado como una amenaza comunista por el macartismo y abandonó los Estados Unidos en 1951.

Se instaló en Sao Paulo, Brasil, y nuevamente mostró una mente disidente al cuestionar la interpretación de Bohr, ampliamente aceptada, en el artículo Una interpretación sugerida de la teoría cuántica en términos de variables "ocultas"(1952). En él, Bohm presentó una explicación para el experimento de le doble división dónde se demostraba que el electrón cuántico era tanto una partícula como una onda. Sugirió que la partícula seguía siendo una partícula en todo momento, no solo cuando se observaba, y que su comportamiento era determinado por una fuerza oculta: la "onda piloto". Esto era lo que rigía su movimiento al pasar por la ranura. Añadía también que el punto de partida de la partícula es una variable oculta. Esto contradice la explicación de Bohr de la inexistencia de la partícula cuántica a menos que se observe, la incertidumbre de su existencia como partícula u onda y la suposición de que los sistemas cuánticos son probabilísticos porque funcionan como mecanismos deterministas.

La propuesta de Bohm dio un significado físico más que metafísico al principio de incertidumbre. Propuso que había una realidad física subyacente en la física cuántica que explica las cosas. También criticó la interpretación de Bohr por implicar que la mecánica cuántica era mecanicista en línea con el universo de relojería de Newton.

El modelo de Bohm explica la paradoja de onda / partícula y también insiste sobre la no-localidad, la capacidad de las partículas para influenciarse entre sí a través de largas distancias. Esto contradice a Einstein, que utilizó la no-localidad para demostrar un defecto en la mecánica cuántica diciendo que la correspondencia instantánea a grandes distancias está limitada por la velocidad de la luz. Además, Bohm argumentó que, a pesar de su teoría clarificadora de las ondas piloto, la comprensión completa de la realidad estaba más allá del entendimiento humano.

En 1980, los físicos franceses demostraron que las críticas de Einstein habían sido erróneas y esto animó a Bohm, ahora establecido en Bristol, Inglaterra, a publicar Wholeness and the Implicate Order en el mismo año. Argumentó que debajo de las apariencias físicas (orden explicito) hay un sistema oculto (orden implícito). Este último es un campo de ondas piloto infinitas que cuando se superponen nos parecen partículas, el orden explicito. Sugirió también que el espacio y el tiempo podrían ser signos del orden implícito.

Para comprender el orden implícito, Bohm dijo que la física necesitaba olvidarse de sus suposiciones sobre la naturaleza. Newton y Descartes habían reemplazado el antiguo concepto orgánico de orden con una visión mecanicista. Bohm quería alentar a los científicos a ir más allá de eso e incluso más allá del pensamiento matemático. Sugirió que la creencia en una 'teoría de todo' se auto cumplía y conduciría a evitar una mayor investigación una auto limitación de la ciencia por sus propias creencias limitadoras. Él creía que la ciencia adquiere conocimiento, pero, lo que es más importante, crea nuevas percepciones.

Bohm era un sintetizador, como Hegel, y buscaba encontrar la síntesis entre la mecánica relativa y la cuántica, entre el arte y la ciencia. Su teoría de la no-localidad en realidad significaba que el universo está físicamente interconectado al nivel cuántico, aunque ningún humano podrá acceder a esta información. Esto concuerda con las tradiciones místicas que fomentan la humildad frente al universo integrado. En lugar de análisis, la teoría cuántica apunta hacia un proceso de constante plegue y despliegue y no un continuo. El Dao chino en el taoísmo se refiere a la unidad holística, sin objeto ni sujeto, que no concuerda con la ciencia moderna ya que no se puede medir. Quizás es la ciencia la que necesita cambiar su paradigma. Una ciencia holística nos permitiría ver que la realidad está interconectada, no parcialmente sino completamente.

La gravedad cuántica de bucles y la teoría de cuerdas

Los físicos todavía están trabajando para lograr una síntesis entre el concepto de gravedad en la Relatividad General de Einstein y la Mecánica Cuántica. Esta es la última parte de la física en la que hay que sintetizar el macro y micro cosmos. Ha dado como resultado dos modelos : la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

En 1988 Carlo Rovelli y otros introdujeron la teoría de la gravedad cuántica de bucles (GQB) en un esfuerzo por sintetizar las nociones de tiempo y espacio en la relatividad general y la teoría cuántica de campos. El problema es explicar el tiempo y el espacio como una parte integral del todo, no como una decoración de fondo para un escenario existente. GQB analiza el tejido del espacio-tiempo en la Relatividad general para discernir posibles fibras más pequeñas en el tejido. Son las conexiones entre estos cuantos de espacio de tiempo que pueden integrarlos en la estructura general.

Rovelli aprendió de la Relatividad general que el espacio no es una caja, sino una estructura móvil y dinámica. De la Mecánica cuántica dedujo que este espacio es granular y está hecho de cuantos. El espacio es una enorme cota de malla. El tiempo es la danza de estos cuantos granulares, sus interacciones.


Gabriele Veneziano, a CERN en 1968, se dio cuenta de que la fuerza observada que une protones y neutrones podría explicarse por la función beta de Euler de dos siglos de antigüedad. (La gravedad de la teoría de Einstein fue ignorada como explicación porque estas partículas tienen una masa tan pequeña.) Susskind, Nielsen y Nambu demostraron que las matemáticas de Veneziano describían la vibración de los filamentos de energía como hilos de cuerda. De ahí el nombre de la teoría de cuerdas. Esta teoría pretende explicar toda la física de partículas, unificando la gravedad con las otras fuerzas. Sin embargo, la teoría de cuerdas postula el espacio y el tiempo como antecedentes construidos en un marco fijo y no tiene en cuenta su naturaleza dinámica como en la teoría de la Relatividad.

Carlo Rovelli justifica sus esfuerzos al resumir el progreso del conocimiento humano por el método de síntetizar modelos contradictorios:
"Newton descubrió la gravedad universal combinando las parábolas de Galileo con las elipses de Kepler. Maxwell encontró las ecuaciones del electromagnetismo combinando las teorías de la electricidad y del magnetismo. Einstein descubrió la relatividad al resolver un aparente conflicto entre el electromagnetismo y la mecánica". Siete breves lecciones de física (2014)
Carlo Rovelli (1952)

No hay comentarios:

Publicar un comentario