“La física cuántica es la física de las posibilidades” (Amit Goswami)
“La física cuántica es el lenguaje de la naturaleza: el código cósmico” (Heinz Pagels)
“El fundamento de la física cuántica es algo que no es material ni inmaterial y que se llama función cuántica
o campo cuántico” (Fred Alan Wolf)
El Enigma Cuántico
La visión materialista de la realidad de la física clásica se ha puesto en cuestión a raíz de los descubrimientos de la física cuántica. Es paradójico que haya sido precisamente la física la que haya derrumbado la visión materialista, aunque se trata de una física profunda, una física que podemos decir que no es física, porque trasciende la materia, el espacio y el tiempo. El mundo de la física cuántica ha descubierto, paradójicamente, un mundo metafísico, desconcertante, que desafía el sentido común, la visión tradicional de la realidad y la concepción clásica de la ciencia.
“La mecánica cuántica describe la naturaleza como algo absurdo al sentido común. Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica” (Richard Feynman).
“Aquellos que no quedan impactados cuando se acercan por primera vez a la mecánica cuántica es que posiblemente no la han entendido” (Niels Bohr).
La física cuántica no es una teoría más de la física, es el fundamento de la ciencia moderna y de las nuevas tecnologías electrónicas, como el láser, el transistor y la resonancia magnética. Incluso las teorías cosmológicas se basan también en la física cuántica.
La teoría cuántica nació en 1900 con el descubrimiento de los cuantos de acción por parte de Planck, teoría que fue formalizada posteriormente por Heisenberg (matrices y corpúsculos), Schrödinger (ondas y función de onda) y Dirac (que unificó las dos teorías). La teoría cuántica ha constituido el intento más exitoso y fructífero de entender el mundo físico. Pero la teoría presenta varias peculiaridades que desafían a la ciencia convencional, a la lógica y al sentido común:
La dualidad onda-corpúsculo
Una entidad cuántica tiene una doble naturaleza. A veces se comporta como una onda y a veces como un corpúsculo (o partícula).
En el famoso y antiguo experimento de Thomas Young (1801) se lanzó un rayo de luz contra una placa con dos rendijas paralelas próximas y se registró en una pantalla detectora un patrón de interferencia, lo que demostró que la luz era un fenómeno ondulatorio, una onda.
Este resultado contradecía la concepción de Newton de que la luz estaba formada por diminutas partículas materiales elásticas que viajaban en línea recta a gran velocidad y que rebotaban en un espejo. Se comportaban siguiendo las leyes universales del movimiento.
La concepción de luz como onda fue refrendada a nivel práctico por Faraday, y a nivel teórico por Maxwell al afirmar que la luz era una radiación electromagnética. Posteriormente Hertz produjo ondas de radio (un tipo de radiación electromagnética) de una frecuencia menor que la de la luz.
Einstein, en 1905, para explicar el fenómeno del efecto fotoeléctrico −el desprendimiento de electrones de un placa metálica al proyectar un haz de luz sobre ella, un fenómeno descubierto por Hertz en 1887−, postuló que la luz estaba formada por corpúsculos, los llamados “fotones”, los “átomos” de luz. Por esta teoría del efecto fotoeléctrico, Einstein recibió el premio Nobel en 1923.
Louis de Broglie tuvo una gran intuición al lanzar la hipótesis de que lo contrario también era cierto: que partículas como los electrones también podían exhibir un comportamiento ondulatorio: una partícula de masa m y velocidad v se comporta como una onda de longitud h/mv, siendo h la constante de Planck. Cuanto mayor es la masa m, menor es la longitud de onda. Por esta simple (y genial) idea −propuesta en su famosa tesis doctoral de 1920 de solo 6 páginas−, recibió el premio Nobel en 1929.
Hoy día el experimento de Young se suele realizar lanzando fotones de uno en uno contra la placa de las dos rendijas para analizar en detalle el fenómeno. Lo que ocurre es sorprendente, pues desafía a la lógica:
Cada fotón pasa por las dos rendijas simultáneamente, siempre que no se realice ninguna observación, generándose un patrón de interferencia en la pantalla, pues cada fotón interfiere consigo mismo, comportándose como una onda.
En cambio, si se observa el fenómeno (colocando cerca de la rendija un detector), cada fotón pasa solo por una de las rendijas, produciéndose solo dos franjas sobre la pantalla (correspondientes a cada una de las dos rendijas).
En 1978, John Wheeler propuso una ligera modificación al experimento de la doble rendija, el experimento de la elección retardada (delayed choice experiment): ¿Qué pasaría si decidimos observar al fotón una vez que haya pasado la placa con las dos rendijas y antes de que impacte sobre la pantalla? El resultado fue el patrón de dos franjas. Aparentemente, el fotón, al sentirse “observado”, retrocedió al pasado para cambiar la forma por la que había pasado por la placa de las dos rendijas: de ser onda retrocedió en el tiempo para convertirse en partícula.
Según el llamado “principio de complementariedad” de Niels Bohr, una entidad cuántica se comporta como corpúsculo o como onda, pero no de ambas formas a la vez. Estos dos comportamientos son mutuamente excluyentes.
Según Richard Feynman, el experimento de la doble rendija y su interpretación están en el corazón de la física cuántica.
La superposición de estados y el problema de la medición
Una entidad cuántica, como onda, parece estar en varios lugares a la vez. La misma entidad, como corpúsculo, se localiza solo en un lugar.
Una entidad cuántica aislada y no observada existe en una superposición de un conjunto de estados. Pero tan pronto como es observada (al realizar una medición), la onda se “colapsa” (o se proyecta), es decir, es forzada a adoptar un solo estado entre todos los posibles y la entidad cuántica se convierte o transforma en un corpúsculo. Esta es la llamada “interpretación de Copenhague” (hacia 1927), denominada así porque Niels Bohr (pionero de la física cuántica) y su equipo trabajaban en esa ciudad.
Según esta filosofía, el mundo no es real excepto cuando se realiza una medición o una observación. Una entidad cuántica es diferente, dependiendo de si es observado o no. Cuando no es observada, es solo una onda de posibilidad, representado matemáticamente como una “función de onda”; no es una “cosa”, pues no tiene atributos definidos. Cuando es observado, la función de onda se “colapsa” y solo una de las posibilidades pasa a la condición de real, se manifiesta con atributos definidos. y las otras posibilidades se desvanecen. Pasa de lo posible a lo concreto y específico. Se produce un “salto cuántico”. Lo que realmente sucede en este salto cuántico es un misterio y que parece regido por el azar.
Una entidad cuántica no observada no esta en ninguna parte, sino potencialmente en todas partes. Sus atributos o propiedades moran en un limbo existencial, a mitad de camino entre el mundo de las ideas y el mundo físico.
Las entidades cuánticas no son “cosas” (como decía Heisenberg). Son ondas de posibilidad que se “colapsan” en corpúsculos al ser observadas. Se dice que las entidades cuánticas pierden la coherencia.
En general, cuando una entidad cuántica tiene varios estados posibles, están en superposición. Por ejemplo, el espín cuántico está en superposición de dos estados (arriba y abajo), y se colapsa en uno de los dos estados al hacer una observación.
Un sistema cuántico existe simultáneamente en todos sus posibles estados. Solo cuando se realiza una medición, aparece o se manifiesta uno de esos estados. Las superposiciones (las ondas de posibilidad) nunca las observamos; solo podemos observar las interferencias. Por ejemplo, cuando un fotón que pasa por dos rendijas e interfiere consigo mismo.
Por lo tanto, los resultados de los experimentos no están predeterminados. Una entidad cuántica no posee propiedades definidas hasta que no se mide.
La onda de posibilidad de una entidad cuántica se propaga rápidamente (la longitud de onda es grande). En cambio, la onda de posibilidad de un objeto macroscópico es muy lenta, se propaga y expande lentamente (la longitud de onda es muy pequeña), por lo que es muy difícil medirla u observarla. Cuanto más grande es un objeto, mayores son sus conexiones, menores son sus estados posibles y menor es la longitud de onda.
Cuando un observador contempla una silla, y a continuación otro observador contempla la misma silla, realmente no ven la misma silla porque la onda de posibilidad se colapsa en otra posición diferente, aunque muy próxima. Los dos observadores comparten una experiencia similar que les hace inferir que la silla está “fuera” de ambos, en el mundo exterior.
Discontinuidad
La realidad física, a nivel profundo, es discontinua. Max Plank, en 1900, descubrió el “cuanto” (quantum), la unidad más pequeña de energía, al estudiar la radiación del cuerpo negro.
Un cuerpo negro es un objeto teórico que absorbe toda la radiación que incide sobre él. A nivel práctico tal cuerpo no existe, pero constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética, emisión que es función de la temperatura del cuerpo.
Einstein se inspiró en el descubrimiento de Planck del cuerpo negro para explicar el fenómeno fotoeléctrico. Dedujo que la luz estaba constituida por corpúsculos. La luz tiene una estructura discontinua formada por fotones o corpúsculos de luz. La energía de un cuanto es proporcional a la frecuencia de radiación.
Bohr introdujo la discontinuidad en el modelo del átomo de Rutherford (un sistema solar en miniatura). A su vez, el modelo de Bohr permitió explicar las líneas del espectro, las radiaciones de frecuencias precisas emitidas por diferentes cuerpos.
En el modelo atómico de Bohr, cuando un electrón pasa de un nivel orbital o energético a otro inferior (emitiendo un fotón), lo hace de forma instantánea y sin pasar por el espacio intermedio. Es un salto cuántico (quantum leap), discontinuo, discreto.
Otro ejemplo de salto cuántico instantáneo es el fenómeno de túnel cuántico (quantum tunneling), que se observa por ejemplo en los transistores. Es la capacidad de un electrón de saltar una barrera de energía potencial. La barrera no la puede sobrepasar el electrón porque su energía cinética es menor que la energía potencial de la barrera. Sin embargo, el electrón desaparece de un lado de la barrera y reaparece en el otro lado sin atravesarla espacialmente, es decir, sin pasar por el espacio intermedio.
El efecto túnel es una consecuencia de la dualidad onda-corpúsculo de las entidades cuánticas y del fenómeno de superposición. Nació con el descubrimiento de la radiactividad natural por Henri Becquerel en 1896.
No localidad (entrelazamiento cuántico)
A nivel cuántico parece trascenderse el espacio y el tiempo. Una entidad cuántica puede interactuar instantáneamente con otra, independientemente de su separación física. Esto ocurre con el fenómeno denominado “entrelazamiento” (entanglement), concepto y término introducido por Scrödinger en 1935. Por ejemplo, dos entidades cuánticas enlazadas (como un par de partículas emitidas por un elemento radiactivo) y que son separadas por una gran distancia, cuando la onda de posibilidad de una de ellas se colapsa (al hacer una observación), la otra se colapsa también de forma automática y simultánea. De hecho, lo que se interpreta es que las dos partículas comparten la misma onda.
En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen idearon un experimento teórico −que se suele denominar “experimento EPR” por las iniciales de sus autores− para demostrar la imposibilidad de la no localidad, “el fenómeno fantasmal a distancia”, que decía Einstein. Según estos autores, el fenómeno del entrelazamiento cuántico, que viola la teoría de la relatividad especial (el límite de la velocidad de la luz), debería explicarse de manera determinista, por lo que tendría que haber variables ocultas y, por lo tanto, la mecánica cuántica es incompleta.
En 1964, John Bell demostró que ninguna teoría física con variables ocultas locales puede reproducir todos los fenómenos de la mecánica cuántica. También ideó una fórmula (una desigualdad) para discernir si un fenómeno cuántico era local o no local. Si experimentalmente se cumplía la desigualdad, entonces el fenómeno era local. Si no se cumplía, el fenómeno era no local.
En 1982, Alain Aspect demostró experimentalmente la no localidad con un par de fotones entrelazados (un átomo irradió mediante láser dos fotones en direcciones contrarias). Las partículas seguían conectadas a un nivel que trasciendía el espacio y el tiempo. Aspect demostró que existe un nivel metafísico en el mundo cuántico.
En el mundo cuántico todo parece estar conectado a nivel espacial y temporal. No hay relaciones clásicas de causa-efecto. Causa y efecto se confunden. Presente, pasado y futuro es la misma cosa, están unificados.
Incertidumbre (el problema de la medida)
Según el principio de indeterminación de Heisenberg, es imposible conocer de una partícula cuántica a la vez un par de magnitudes observables complementarias o duales, m1 y m2, una estática y otra dinámica, verificándose la relación Δm1.Δm2 ≥ h (constante de Planck). Esta indeterminación no es un problema externo, de medición, sino que es una propiedad intrínseca de toda entidad cuántica.
Por ejemplo, es imposible conocer a la vez la posición y el momento (masa×velocidad). También es imposible medir simultáneamente la energía de una partícula y el intervalo de tiempo que ha estado existiendo.
Las entidades cuánticas no ocupan un espacio fijo ni existen durante un tiempo determinado. Se manifiestan difusas, con movimientos discontinuos, aleatorios e impredecibles. Las entidades cuánticas son realmente entidades potenciales, ambiguas, no definidas, capaces de manifestarse de muchas maneras posibles. Las entidades cuánticas están en la frontera entre el ser y el no ser.
La indistinguibilidad de las partículas cuánticas idénticas
En física clásica, las partículas de la misma masa son perfectamente distinguibles unas de otras, por sus posiciones en el espacio, sus trayectorias, sus posibles choques con otras partículas, etc.
En física cuántica, si por ejemplo colisionan dos partículas idénticas, es imposible distinguirlas tras la colisión. El principio de indistinguibilidad de las partículas cuánticas establece que en un sistema con partículas idénticas, se dan solamente aquellos estados que no cambian al permutar las posiciones de dos partículas idénticas cualesquiera.
La coexistencia de onda y corpúsculo. El experimento de Afshar
Según el principio de complementariedad de Bohr, una entidad cuántica se comporta como corpúsculo o como onda, pero no de ambas formas a la vez. Pero el físico Shahriar Afshar realizó un experimento en 2001, que era una versión modificada del famoso experimento de las dos rendijas de Young de 1801 (es decir, exactamente, 200 años después), en el que demostró dos cosas importantes:
Los dos aspectos de la luz (onda y corpúsculo) se dan simultáneamente.
De los dos aspectos de la luz, el fundamental es el ondulatorio.
Según la interpretación de Copenhague, la onda de una entidad cuántica se transforma o convierte en un corpúsculo al hacer una observación. No se conoce el mecanismo de este colapso. La función de onda de Schrödinger no contempla ese colapso. Pero no hay tal conversión, pues la onda sigue existiendo. El hecho de que se detecte un corpúsculo no implica que la onda desaparezca. Según Afshar, la interpretación de Copenhague es falsa.
Este experimento ha sido repetido por otros investigadores y sus resultados han sido confirmados, aunque su interpretación es controvertida.
La intención. El experimento de Mandel
Leonard Mandel (Universidad de Rochester) fue uno de los fundadores de la óptica cuántica (el estudio del comportamiento de los fotones y su uso en la transmisión de información). En su laboratorio pudo comprobar los fenómenos más notables predichos por la teoría cuántica, y realizó nuevos descubrimientos. Sus experimentos fueron un modelo de simplicidad y claridad:
Comprobó el entrelazamiento cuántico.
Comprobó la interferencia de un fotón consigo mismo, y entre dos fotones.
Comprobó que un cambio en un rayo láser del laboratorio afectaba a otro rayo láser no relacionado y situado en otro lugar del laboratorio.
Comprobó que un átomo iluminado por un rayo láser emite fotones espaciados uniformemente.
Comprobó que un evento no es real hasta que es medido. Nunca se sabe con certeza en un momento dado lo que va a suceder a continuación, independientemente de lo que se conozca en ese momento.
Pero el descubrimiento de Mandel más importante fue el siguiente. La observación o medición requiere una intervención física directa. Pero un experimento realizado por él y su equipo mostró que un fotón puede ser forzado a cambiar de comportamiento (como onda o como corpúsculo) mediante algo más sutil que la intervención física directa. Los patrones de interferencia desaparecen (es decir, hay comportamiento corpuscular) cuando se instala un detector, incluso aunque el detector no se haya activado. La sola posibilidad de utilizar el detector para averiguar por qué rendija va a pasar el fotón hace que no aparezca el patrón de interferencia. También desaparece el patrón de interferencia cuando se seleccionan los fotones a los que se les va a detectar el camino que van a tomar, incluso con el detector situado no localmente. Lanzando fotones distinguibles no se produce interferencia.
Las conclusiones del experimento de Mandel fueron:
La observación física humana no es necesaria para producir efectos en los fenómenos cuánticos.
El mero conocimiento existente en la mente del experimentador es suficiente para que la onda colapse.
La distinguibilidad regula la física cuántica. Lo que importa es el concepto de información.
La realidad subjetiva
En física clásica la realidad es objetiva, es la misma para diferentes observadores. En física cuántica la realidad es subjetiva, depende del observador, por lo que es necesario incluir al observador en la descripción del mundo físico.
Un objeto cuántico no existe hasta que un observador lo ve. Todos los objetos permanecen en estado de posibilidad hasta que la conciencia escoge, incluso retroactivamente. Entonces el objeto se manifiesta.
Nuestra observación no solo crea la realidad presente, sino que también crea un pasado congruente con esa realidad. Nuestra observación crea la historia previa, es decir, creamos algo hacia atrás en el tiempo. Lo que ocurre realmente está determinado por nuestra intención de lo que íbamos a hacer.
Las observaciones no solo perturban al sistema cuántico, sino que provocan la propia observación. La observación de que un objeto está en un cierto sitio, crea su presencia en dicho sitio. Nuestras intenciones o pensamientos crean la realidad. “Ninguna propiedad microscópica es una propiedad hasta que es observada” (John Wheeler).
La idea de que la realidad es creada por la observación se remonta a la filosofía védica. Berkeley (considerado el padre del idealismo) afirmaba que “ser es ser percibido” (esse est percipi), es decir, la única realidad es lo interior, lo mental, lo que percibimos. Las cosas no son de cierta manera (objetivas) sino que las cosas son percibidas de cierta manera (subjetivas). Es una epistemología empirista.
La cuestión relativista
Las leyes que gobiernan el universo a escala microfísica (establecidas por la teoría cuántica) son diferentes de las leyes que gobiernan el universo a escala macrofísica (establecidas por la teoría de la relatividad).
La teoría cuántica explica las fuerzas nucleares (fuerte y débil) y la fuerza electrodébil, pero no contempla la fuerza gravitatoria que paradójicamente es la fuerza más evidente y que experimentamos habitualmente. La fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro, por lo que es muy difícil medirla en las partículas cuánticas.
La teoría de la relatividad especial explica los fenómenos en los que los objetos se mueven a velocidades próximas a la de la luz. Se basa en dos principios: la invariancia de la velocidad de la luz en el vacío, y la invariancia de las leyes físicas en todos los sistemas de referencia inerciales. Si perseguimos un rayo de luz a la velocidad v y la luz se mueve a la velocidad c, entonces la velocidad no es c−v, sino que sigue siendo c. Y si nos alejamos del rayo de luz, la velocidad no es c+v, sino que también sigue siendo c. La velocidad de la luz en el vacío es el límite de velocidad para todo cuerpo o radiación.
La teoría de la relatividad general explica adicionalmente la gravedad como una fuerza derivada de la deformación geométrica del espacio-tiempo, deformación producida por el principio de equivalencia entre gravedad y aceleración. Un rayo de luz emitido horizontalmente dentro de un ascensor teórico, libre de fuerza externa y acelerado, se mantiene horizontal desde el sistema de referencia del ascensor, pero se curva visto desde el exterior. Como la luz sigue el camino más corto entre dos puntos (línea geodésica), la gravedad deforma el espacio-tiempo. Los fotones son atraídos aparentemente por la gravedad, pero no es así porque los fotones no tienen masa.
Ambas teorías (cuántica y relativista) nacieron y evolucionaron independientemente. Y ambas teorías han sido verificadas. En particular, todas las predicciones de la teoría de Einstein se han cumplido, incluida la existencia de las ondas gravitacionales (descubiertas recientemente).
Todos los físicos están de acuerdo en que es preciso unificar las dos teorías. Puesto que la teoría cuántica es más general que la relativista, la vía natural es ampliar o generalizar la teoría cuántica para que contemple la teoría relativista.
Un paso importante hacia la unificación lo dio Dirac en 1928, que elaboró una teoría cuántica que incluía el principio de relatividad especial. La ecuación de Dirac es la versión relativista de la ecuación de ondas de la mecánica cuántica y tiene en cuenta los efectos relativistas. Lo que falta es una teoría cuántica que incluya la gravedad o la teoría cuántica de la gravedad.
El modelo estándar de la física cuántica es incompleto porque no contempla la gravitación. Se ha postulado una partícula hipotética, el gravitón, como responsable de la fuerza gravitatoria. La moderna teoría de cuerdas promete ser capaz de describir y explicar todos los fenómenos físicos, incluyendo la fuerza gravitatoria. Según esta teoría, las diferentes partículas son el resultado de los diferentes modos de vibración de una cuerda.
Y a nivel de la cosmología sabemos todavía poco. Por ejemplo, desconocemos la verdadera naturaleza de la energía oscura y de la materia oscura. La energía oscura es una hipotética energía responsable de la expansión del universo. La materia oscura es una hipotética forma invisible de materia que explicaría que las galaxias no se dispersen en su movimiento de rotación.
Interpretaciones de la Física Cuántica
Los fenómenos de la física cuántica se ha interpretado de muchas maneras: con la existencia de un nivel trascendente de la realidad, con la conciencia, con la información, con la abstracción matemática, con la probabilidad, etc. Actualmente no hay consenso en la interpretación de los fenómenos cuánticos. El enigma cuántico sigue sin resolverse. Algunos físicos proponen una reelaboración completa de la teoría cuántica. Otros prefieren simplemente atenerse a lo superficial, a las ecuaciones, sin buscar su significado profundo. Las interpretaciones más importantes se describen a continuación.
La abstracción matemática
La interpretación matemática de la física cuántica, basada en la concepción inicial de Bohr, la interpretación de Copenhague, se puede resumir así:
Un sistema cuántico aislado y no observado existe en una superposición coherente de todos los estados posibles permitidos por la “función de onda” de Schrödinger [ver Adenda]. Esta función de onda representa a una onda abstracta de tipo matemático.
A cada estado Ψ de un sistema cuántico le corresponde un objeto matemático llamado “vector de estado” en un espacio abstracto denominado “espacio de Hilbert”, un espacio euclideo de dimensión infinita. Este objeto matemático es la mayor fuente de información que podemos tener del sistema cuántico.
El estado cuántico Ψ evoluciona de manera determinista de acuerdo con la ecuación de onda de Schrödinger, en donde la variable t (tiempo) es lineal.
Los posibles resultados de una medición realizada sobre un sistema cuántico en estado Ψ se corresponden a operaciones matemáticas específicas sobre ese vector de estado. Cada resultado se interpreta como la probabilidad de obtener ese resultado en la medición. La transición entre el vector de estado inicial Ψ y el resultado se denomina “colapso de la función de onda”.
Esta interpretación se refiere a la descripción y manipulación de objetos matemáticos, y no tienen correlato físico objetivo. A nivel profundo, la física desaparece y contactamos con el universo abstracto de la matemática.
“No hay un mundo cuántico. Solo hay una descripción cuántica abstracta. Es un error pensar que la tarea de la física consiste en descubrir cómo es la naturaleza. La física tiene que ver con lo que podemos decir de la naturaleza” (Bohr).
“En física cuántica, la abstracción no es una simple herramienta para describir la realidad, sino una parte constitutiva de la propia realidad” (Basarab Nicolescu).
Esta concepción de la física cuántica ha sido cuestionada:
En primer lugar se cuestiona el tema de la probabilidad. Max Born fue el primero que sugirió que la función de onda había que interpretarlas como una onda de probabilidad. El cuadrado de la amplitud de la función de onda |Ψ|2 es la probabilidad de encontrar a la partícula en una cierta posición o estado al realizar una observación en un instante dado. Esta interpretación la rechazó Schrödinger, ideando su famoso experimento mental del gato para demostrar lo absurdo de esta interpretación. Einstein tampoco estaba de acuerdo: “Dios no juega a los dados”.
El colapso de la función de onda no está contemplado en la ecuación de Scrödinger. Solo cubre el aspecto ondulatorio, interno o profundo, no el corpuscular, externo o superficial. Es una ecuación incompleta o parcial.
La interpretación de Copenhague supone un cisma entre mundo interno y mundo externo, entre experiencia superficial (el corpúsculo) y realidad profunda (la onda).
Se cuestiona la interpretación de Copenhague, por el experimento de Afshar. Según este experimento, onda y corpúsculo coexisten tras la observación.
El nivel trascendente de la realidad: el Akasha
Según la interpretación trascendental, los estados posibles de una entidad cuántica no pertenecen al mundo físico. Pertenecen a otro nivel de realidad, un nivel de realidad inmanifiesto, difuso, indeterminado e inaccesible. Heisenberg fue el primero que intuyó que las ondas de posibilidad de las entidades cuánticas residían en un dominio trascendente, más allá del espacio, el tiempo y la materia.
En el experimento de las dos rendijas, las entidades cuánticas tienen aparentemente un comportamiento esquizofrénico, pues a veces se comportan como ondas, y otras veces como partículas. Pero la explicación reside en que las ondas de posibilidad de las entidades cuánticas pertenecen a una dimensión no física, una dimensión que trasciende el espacio, el tiempo y la materia. Este espacio no-físico (o metafísico) se suele denominar hiperespacio, metaespacio, espacio profundo, éter o Akasha. El Akasha es un concepto de la filosofía védica hindú y es un témino sánscrito que significa “cielo, espacio o éter”.
Las características del Akasha son las siguientes:
Es un espacio profundo donde todo está conectado, donde todo es no-local, y donde no existe espacio ni tiempo ni materia. Todos los puntos del espacio físico están conectados a través del espacio profundo. Nuestro espacio 3D es una manifestación de este espacio primigenio.
Es un reino atemporal, donde están conectados todos los acontecimientos del pasado, del presente y del futuro. Einstein decía que pasado, presente y futuro existen simultáneamente en un cierto nivel: “La distinción entre pasado, presente y futuro no es más que una terca y persistente ilusión”. El tiempo lineal es una ilusión, una sombra del verdadero tiempo, que es (paradójicamente) el no-tiempo.
Es un nivel de realidad que es más real que el nivel manifiesto, porque lo potencial, lo posible y lo inmanifiesto existe en un reino intemporal, sin las limitaciones de lo manifiesto, que es efímero y temporal.
Es una memoria global. Según la filosofía hindú, la memoria de todo lo que ha acontecido desde el principio de los tiempos, se graba en los registros del Akasha (los ”registros akáshicos”) y ahí quedan para siempre. La memoria personal no se almacena en el cerebro. El cerebro es solo un instrumento para acceder a los recuerdos almacenados en el Akasha desde el nivel físico.
Es un nivel trascendente, más allá de lo físico y lo mental. Y es la fuente de la energía sutil físico-mental. Une los opuestos (lo físico y lo mental), por lo que se puede decir que el Akasha es la conciencia global de la naturaleza.
El Akasha explica el entrelazamiento cuántico, puesto que al nivel más profundo no hay espacio ni tiempo. También explica el experimento de la elección retardada de Wheeler porque como a nivel profundo no hay tiempo, el comportamiento de un fotón es independiente del momento en que se realice la observación.
El Akasha se identifica con el llamado “Campo Punto Cero”, el campo de vacío cuántico, un espacio profundo lleno de energía.
Según David Bohm, la realidad es un todo indivisible en el que todo está conectado a un nivel profundo, el “orden implicado”, un nivel trascendente, un mundo “plegado”, un mundo físico situado más allá del espacio y del tiempo. Del orden implicado emerge o emana el “orden explicado”, el mundo “desplegado”. El orden implicado de Bohm se puede identificar con el Akasha. La teoría de Bohm de la naturaleza de la realidad dio origen a la teoría holográfica del universo, que fue aplicada por Karl Pribram para postular la teoría holográfica del cerebro.
La teoría de los muchos mundos (many worlds)
Hugh Everett, en los años 1950s, no estaba de acuerdo con la interpretación de Copenhague. La consideraba incompleta porque la ecuación de Scrödinger solo se aplica al mundo microscópico y no hacen referencia al mundo macroscópico que denominamos “real”. La ecuación describe como evoluciona la función de onda con el tiempo, una evolución que es continua y determinista. Pero la ecuación no contempla lo que sucede en una observación: que la función de onda colapsa en un solo elemento de la superposición y desvaneciéndose los demás elementos, introduciendo así la discontinuidad. Este enfoque privilegia al observador, situándolo en un reino clásico y distinto del reino cuántico.
La idea de Everett −expuesta en su tesis doctoral de Abril de 1957 “Teoría de la Función de Onda Universal”, y republicada tres meses después con el título “Formulación de Estado Relativo de la Mecánica Cuántica”− fue interpretar la función de onda de forma literal, considerando que cada elemento de la superposición era real, que todas las posibilidades son realidades y que ninguna es más real que el resto:
Cuando un sistema se encuentra (en un cierto momento) en un estado x y puede evolucionar hacia otros posibles estados y1, y2, ... , yn, el universo se divide en n universos paralelos, correspondiendo el universo i al estado yi.
Por ejemplo, si un fotón puede transmitirse o reflejarse en un medio, el universo se divide en dos, uno en el que el fotón se transmite y otro en el que el fotón se refleja.
Everett fusionó los mundos microscópico y macroscópico introduciendo una función de onda integrada (o universal) que englobaba al observador y al sistema cuántico. Esta función de onda integrada bifurcaría en cada interacción entre el observador y el sistema en superposición de estados. El objetivo de Everett era que la función de onda sirviera para el universo entero.
Por ejemplo, si tenemos un sistema cuántico con dos estados A y B en superposición, hay una función de onda que describe este sistema. Si aparece un observador, se crea una nueva función de onda que engloba al sistema y al observador. Al realizar el observador una medición, hay dos ramas posibles: una rama con el observador y el estado A, y otra rama con el observador y el estado B. Estas dos ramas son independientes entre sí y cada una sigue un futuro diferente.
El universo entero se comporta como un árbol que se divide y subdivide en múltiples ramas en cada fracción de tiempo. Cada nuevo universo creado tiene una historia diferente, que corresponde con la sucesión de universos que han conducido a dicho universo particular. Un observador que siga un camino determinado nunca percibe este fenómeno de división o partición. Como no percibimos nada más que el universo que observamos, estos universos deben estar separados unos de otros. El universo está compuesto por una superposición cuántica de muchos (posiblemente infinitos) mundos, crecientemente divergentes, paralelos y no comunicados entre sí.
En definitiva, la teoría de Everett sostiene que todo lo que puede ocurrir, ocurre realmente; todas las posibilidades ocurren, aunque solo seamos conscientes de una de ellas. Ante un conjunto de posibilidades, el universo se subdivide en tantos universos como posibilidades. Por lo tanto, hay infinitos universos posibles.
Aspectos positivos de la teoría son:
Se elimina el indeterminismo. La teoría es determinista y no local. El universo evoluciona de forma determinista según la función de onda, que es real y determinista.
Se elimina el tema del colapso de la función de onda. El colapso de la función de onda se explica por el mecanismo de la decoherencia cuántica. El colapso es solo aparente.
Se integra la microfísica y la macrofísica.
Se integra al observador en el mundo cuántico.
Resuelve la paradoja onda-corpúsculo.
Resuelve la paradoja del gato de Scrödinger. El gato está vivo en un mundo y muerto en el otro.
Resuelve la paradoja EPR.
Hay inmortalidad cuántica. Una versión de nosotros vive en un universo paralelo.
Aspectos negativos son:
Se viola el principio de conservación de la energía.
Viola el principio de la navaja de Occam, pues sería preferible la teoría de un único universo, por ser más simple. No obstante, la teoría de Everett es más simple que la interpretación de Copenhague.
No da cuenta de los fenómenos no locales como el entrelazamiento cuántico.
La teoría de Everett fue ignorada durante una década tras su publicación. Posteriormente ha sido objeto de gran controversia durante años, pero está ganando aceptación creciente, hasta superar incluso a la interpretación de Copenhague. Bryce De Witt fue el responsable de su popularización y el creador del término “muchos mundos” (many worlds). Hoy día, la teoría de Everett se interpreta seriamente, aunque no enteramente en su forma original. La versión moderna es que cada rama representa una realidad clásica o macroscópica, resultado de una “decoherencia cuántica”. La computación cuántica se basa precisamente en esta interpretación.
Richard Feynman formuló una versión diferente. En lugar de muchos mundos hablaba de muchas historias o múltiples historias o historias paralelas. Cuando una partícula viaja desde un punto P a otro punto Q (en el espacio de fases) hay múltiples trayectorias (o historias), cada una con su probabilidad asociada. La trayectoria completa integra todas las trayectorias individuales. Cuando se observa una trayectoria, las otras pasan a universos paralelos.
La interpretación de Bohm
Postulado por David Bohm en 1952 −inspirada en la teoría las ondas piloto de Louis de Broglie, que presentó en 1927−, la teoría de David Bohm se denomina “teoría de la onda piloto” o “interpretación causal”. En esta teoría, cada partícula tiene una trayectoria bien definida y pasa por solo una de las rendijas, pero a nivel global se genera una “onda piloto” que guía a las partículas para que en su conjunto formen un patrón de interferencia. Mediante una formalización matemática simple, Bohm dedujo que existe una “fuerza cuántica” (o potencial cuántico) que actúa sobre cada partícula para producir un comportamiento ondulatorio global. La fuerza cuántica sobre una partícula es función (en cada instante) de las posiciones de las demás partículas.
El problema de la medición se interpreta como una consecuencia de la interacción de las partículas con el detector, que altera la onda piloto. En la observación, no hay colapso de la función de onda y no desaparece la parte de la función de onda correspondiente a lo no observable.
La teoría de Bohm describe un mundo real objetivo y totalmente determinista. La función de onda es físicamente real. Esta teoría realiza las mismas predicciones que la interpretación probabilística de la interpretación de Copenhague, de una manera más simple y resuelve el enigma de la dualidad onda-corpúsculo.
Bohm creía en la conectividad universal, que describe en su obra “The Undivided Universe” [1995]. La teoría de Bohm inspiró a Bell para formular su famoso teorema para determinar si un fenómeno cuántico era o no local.
La teoría de las historias consistentes
Esta teoría es una generalización de la interpretación de Copenhague. Consiste en asignar probabilidades a las historias posibles de un sistema cuántico, de tal forma que estas probabilidades obedecen las reglas de la probabilidad clásica, siendo a la vez consistentes con la ecuación de Schrödinger. Una historia consistente (también llamada “historia decoherente”) es una secuencia de eventos cuánticos (funciones de onda) en tiempos sucesivos.
Esta teoría no considera fundamental el tema de la medición, al contrario que en la interpretación de Copenhague. Las mediciones producen historias consistentes de tipo probabilístico. Las historias se utilizan para describir cómo una partícula interactúa con el aparato de medición.
Esta teoría resuelve las paradojas de la física cuántica. Tiene la ventaja de ser más precisa, la física cuántica es local y consistente con la relatividad especial. La física clásica emerge como una aproximación útil a la física cuántica. La lógica es cuántica, pero en el mundo macroscópico se convierte en lógica clásica.
La teoría de las historias consistentes fue propuesta por David Griffiths en 1984 y desarrollada posteriormente por Roland Omnès en 1988, así como por Murray Gell-Man y James Hartle, que usaron el término “historias decoherentes” en 1990.
La interpretación de la pregeometría
John Wheeler postuló que, más allá de la geometría habitual que concebimos del universo, hay algo más profundo que denominó “pregeometria”. La pregeometría es una estructura profunda a partir de la cual surge la geometría. El espacio-tiempo es una realidad emergente de una realidad pregeométrica subyacente.
Este concepto fue introducido por Wheeler como una posible explicación de la gravedad cuántica (la unión de la física cuántica y la teoría de la relatividad general). Mientras la geometría permite describir las propiedades superficiales de los objetos físicos, la pregeometría permite expresar las leyes profundas de la física.
Hoy día la pregeometría (la geometría profunda, que también podemos denominar también “transgeometría”, meta-geometría, “geometría trascendental” o “geometría cuántica”) se puede identificar con la geometría del éter. El éter, que antes se consideraba una especie de materia sutil que rellenaba el espacio absoluto (y en el que la luz era una vibración del éter), hoy se considera que es el espacio profundo que conecta entre sí todo el espacio conocido (superficial), como el Akasha hindú.
Precisamente, uno de los grandes retos de la física actual es el descubrimiento de la verdadera naturaleza del espacio.
La interpretación de la información
John Wheeler también elaboró una teoría que denominó “it from bit”, una teoría de explicación inmaterial del mundo físico:
Todo es información.
Las leyes de la física se pueden expresar en términos de información.
Lo que denominamos realidad surge de la información.
Toda partícula, campo de fuerza, e incluso el propio continuo espacio-tiempo, deriva su existencia, su función y su significado de la información.
Vlatko Vedral sostiene en su obra “Descodificando la realidad” [2010] que el universo en su nivel más fundamental es información. La información es el origen de todo lo que existe. La información crea la realidad. Antes de que existiera la materia o la energía ya existía la información. La información es el hilo conductor que conecta todos los fenómenos. La realidad está hecha de información. En la función de onda no hay información, pero cuando se colapsa se genera información.
Esta interpretación de Vedral de la física cuántica explica que un sistema tenga varios estados a la vez: porque no se dispone de información que permita saber en qué estado se encuentra. Las leyes de la física cuántica son consecuencia de las restricciones ligadas a la adquisición, representación y transmisión de información.
El paradigma de la información enlaza con la llamada “física digital”: el universo es describible por información y, por consiguiente, es computable. El universo es un proceso realizado por un programa de ordenador o por un dispositivo computacional.
La teoría del Campo Akásico
La teoría unificada del campo Akásico ha sido propuesta por Ervin Laszlo en su libro “La Ciencia y el Campo Akásico. Una Teoría Integral del Todo” [2004] y “El Universo In-Formado” [2007]. Esta teoría combina la teoría del Akasha hindú y la teoría de la información. En ella propone un nuevo paradigma unificador: todas las cosas del universo están interconectadas a través de un campo de información, que denomina “Akásico”, siguiendo la antigua filosofía hindú del Akasha:
El campo Akásico conserva y transmite información de todo lo material, lo viviente y de la conciencia. La información es la característica real y efectiva, unificadora de la naturaleza.
Todas las cosas del universo están inmersas en el vacío cósmico. Las cosas producen ondas de información que excitan o perturban el vacío. El vacío cuántico transmite y conserva la información. El vacío cuántico genera el campo Akásico.
Hay muchos tipos de espacios, desde el nivel profundo hasta el nivel superficial. El superficial es el que conocemos en el estado de vigilia. El nivel Akásico es el nivel físico sutil.
La explicación de la mente y la conciencia
Según John von Neumann y Eugene Wigner, la teoría cuántica es incompleta, pues necesita de la conciencia para completarse. Según la interpretación von Neumann-Wigner, la conciencia causa el colapso de la función de onda.
“No es posible formular las leyes de la mecánica cuántica de manera totalmente consistente sin hacer referencia a la conciencia” (Eugene P. Wigner).
Según Amit Goswami [ver Bibliografía], existe estrechas conexiones o analogías entre la mente y la conciencia con el mundo cuántico:
El mundo cuántico es un mundo de infinitas posibilidades. La mente humana tiene una característica esencial, y es que tiene también infinitas posibilidades y que, en cada momento se decanta por una de ellas. Nuestra mente es no-local a nivel espacial y temporal. Esto quiere decir que la mente “vive” a la vez en el pasado, el presente y el futuro, incluso en los posibles pasados (que pudieron ser y no fueron) y en los posibles futuros (que podrán ser o no ser).
No es la mente la que elige entre las posibilidades disponibles, sino la conciencia, que está a un nivel superior al mental. En el acto de observación de una entidad cuántica, no solo se colapsa la onda de posibilidad de dicha entidad cuántica, sino que también se colapsa la onda de posibilidad de la mente humana. Se produce una sincronización entre el mundo interior (mental) y el mundo exterior (físico), una unión de opuestos producida por la conciencia. Es la conciencia la que conecta el mundo interior y el mundo exterior.
Las entidades cuánticas son ondas de posibilidad, hasta que se les obliga a manifestarse por medio del acto de observación. La conciencia conecta sujeto y objeto, lo interior y lo exterior, el observador y la entidad cuántica observada. A través del acto de observación, la conciencia sincroniza una posibilidad física con una posibilidad mental.
La conciencia no es del observador ni de la entidad cuántica, sino de la conciencia en sí misma, sin calificativos, porque la conciencia es una, única e indivisible. En general, es la conciencia la que conecta elementos opuestos o duales.
Un objeto material se “colapsa” simultáneamente de diversas formas, es decir, emergen varios estados de sus múltiples posibles cuando existen varios observadores. Es la conciencia (en general) la que establece esas conexiones múltiples.
Adenda
La ecuación de Schrödinger
La ecuación de ondas desarrollada por Erwin Schrödinger en 1925, describe la evolución temporal de una entidad cuántica en un espacio abstracto, el espacio de Hilbert, un espacio euclideo generalizado de infinitas dimensiones.
Esta ecuación desempeña en física cuántica un papel análogo a la segunda ley de Newton de la mecánica clásica. Es la nueva ley universal del movimiento, válido para el mundo microscópico y macroscópico. Schrödinger se inspiró en las “ondas de materia” de De Broglie. De la misma forma que las leyes del movimiento de Newton son deterministas, la ecuación de Scrödinger también lo es. Esta ecuación no se demuestra, es un postulado:
H|Ψ(t)⟩= iℏ(∂|Ψ(t)⟩ / ∂t)
|Ψ(t)⟩ es la función de onda, una función de variable compleja que representa la superposición de estados expresados por un vector en el espacio de Hilbert. La función de onda contiene en todo momento infinitas “ramas”, que corresponden a posibles diferentes futuros.
H es el hamiltoniano, que corresponde al observable que representa la energía total del sistema.
i es la unidad imaginaria.
ħ es la constante de Planck normalizada (la constante de Plank h divida entre 2π).
La ecuación de ondas de Schrödinger presenta varias características notables:
Indica posibilidad. La función de onda se interpreta como la superposición de todos y cada uno de los infinitos estados posibles de la entidad cuántica. La onda es una superposición de posibilidades. Cuando se produce el colapso de la función de onda, esta se reduce a una sola de las posibilidades que describe. Esta reducción de la función de onda se realiza instantáneamente y sin consumo de energía.
Es imaginaria. Conecta con el mundo imaginario, pues aparecen:
La unidad imaginaria i (es decir, i2 = −1).
La derivada, que se basa en infinitésimos, que son expresiones imaginarias (el infinitésimo ε se define como ε2 = 0).
El infinito, expresado en la función de onda |Ψ(t)⟩, que tiene infinitos componentes.
La función de onda es una función de variable compleja, algo abstracto. Max Born le dio una interpretación probabilística: el cuadrado de su amplitud es una medida de la probabilidad de encontrar la partícula en una cierta posición del espacio y en un cierto instante. Esta interpretación fue rechazada por el propio Schrödinger.
Es multimodal o polimórfica. Si se realiza una operación con la función de onda, se obtiene la posición (o su probabilidad); si se realiza otra, se obtiene la energía (o su probabilidad), etc. Pese a ser una función compleja, el resultado es siempre un número real.
Es sencilla. La ecuación introduce un formalismo más sencillo que el que introdujo anteriormente Heisenberg, que estaba basado en la naturaleza discreta de la entidad cuántica (utilizaba matrices). La ecuación de Schrödinger hace referencia a una onda. Schrödinger demostró que ambos formalismos eran equivalentes. Al ser el formalismo de Schrödinger más sencillo y sintético, el de Heisenberg quedó relegado.
Es profunda. La onda pertenece a un nivel de realidad más profundo que la partícula. Además, simplicidad y profundidad son conceptos que van unidos. Estos dos aspectos (onda – corpúsculo) son duales y corresponden a los dos modos básicos de conciencia.
Es abstracta. Está expresada en lenguaje matemático. Y es, paradójicamente, también la realidad física. A nivel profundo, la realidad es abstracta. El principio de incertidumbre de Heisenberg también se puede derivar de la ecuación de Scrödinger.
Es universal. Es válida para todo tipo de objetos. El universo entero también evoluciona de acuerdo con la ecuación de Schrödinger (la ecuación se está aplicando para estudiar el Big Bang). Pero no es relativista, es decir, no es válida para velocidades próximas a la luz. Para objetos grandes, la ecuación se convierte en la ecuación del movimiento de Newton.
Imágenes gestalt
El término “gestalt” significa conjunto, configuración, totalidad o forma. La filosofía gestalt interpreta los fenómenos como unidades organizadas, con un alto nivel de cohesión estructural, más que un simple agregado de partes. Las imágenes gestalt contienen varias formas entrelazadas, cada una con diferente significado, de las que nuestra conciencia elige solo una de ellas en el acto de percepción. He aquí 4 ejemplos:
Vaso de Rubin
El cáliz reversible, presentado por Edgar Rubin en 1915, también llamado “vaso de Rubin”, es un ambigrama (diagrama ambiguo) que muestra el dualismo y a la vez la unión entre forma y fondo, pues se puede ver un cáliz o dos siluetas de caras de perfil. Las dos figuras (caras y vaso), no se pueden ver a la vez, pues comparten el mismo contorno. Hay una dependencia mutua. Aunque percibamos solo una de las figuras, la otra está siempre presente.
Este ejemplo pone de manifiesto la característica interpretativa de la mente. La interpretación es siempre ascendente: de la forma al fondo, de lo particular a lo general. La mente siempre busca un patrón, lo general o universal, la búsqueda natural del significado en toda percepción, como en el test de las manchas de tinta.
Cubo de Necker
El cubo de Necker es una ilusión óptica publicada en 1832 por el cristalógrafo Louis Albert Necker. Se trata de un cubo dibujado en perspectiva axonométrica, es decir, las líneas paralelas del cubo se dibujan también paralelas en el plano. Cuando se cruzan dos líneas, la imagen no muestra cuál está delante y cuál detrás. Esto hace que el dibujo sea ambiguo, ya que puede ser interpretado de dos maneras diferentes. Cuando se observa la imagen, suele suceder que se intercambian las dos interpretaciones válidas, hasta que nuestra conciencia selecciona una de ellas.
Escalera de Schroeder
La escalera de Schroeder. Según como se mire, la escalera aparecerá normal o invertida.
Dos cruces inter- conectadas
Dos cruces interconectadas. Al observarla la figura, se forman ante nuestra percepción dos imágenes diferentes: una cruz blanca sobre fondo negro y una cruz negra sobre fondo blanco.
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