El Desafío de la Física Cuántica

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Autora: Silvia Sokolovsky
Bibliografía
Toda teoría física posee dos componentes esenciales: un formalismo y una interpretación.
El físico representa los conceptos básicos mediante símbolos matemáticos. Por ejemplo, la posición de una partícula (x), la velocidad (v), la masa (m), etc. Establece procedimientos experimentales bien definidos para asignar a estos símbolos valores numéricos. De esta manera, las relaciones conceptuales se transforman en ecuaciones que podrán ser manipuladas por el aparato matemático. La teoría ha adquirido formalismo.
El formalismo es interpretado al asignar un significado a estas expresiones matemáticas.
Cuando se acepta universalmente que todos los símbolos del formalismo son interpretados sin ambigüedad representando alguna propiedad de la realidad, se dice que la teoría queda concluida.
Bien, cualquier teoría física, para ser aceptada, debe hacer predicciones detalladas. Dado un experimento bien definido, la teoría ha de especificar correctamente el resultado o, al menos, asignar probabilidades correctas a todos los resultados posibles. Desde este punto de vista formal la mecánica cuántica puede considerarse extraordinariamente buena. En su calidad de teoría moderna fundamental de las partículas elementales, de los átomos, de las moléculas, de la radiación electromagnética y del estado sólido, suministra métodos para calcular los resultados de la experimentación en todos estos campos. Pero se espera que no sólo sea capaz de determinar los resultados de un experimento sino que nos de alguna comprensión de los sucesos que presumiblemente sustentan los resultados observados (interpretación).
Pongamos un ejemplo: ya vimos que en mecánica cuántica una partícula elemental, presupongamos un electrón, se representa mediante una expresión denominada "función onda". Esta representación no está en contra de la experiencia, por el contrario, la función onda da en forma exacta la probabilidad de hallar el electrón en cierto lugar. Sin embargo, cuando el electrón se detecta realmente, siempre tiene una posición definida aunque la ecuación lo describa frecuentemente como esparcido sobre una región del espacio. A causa de esta ambigüedad muchos hombres de física encuentran más adecuado considerar a la mecánica cuántica como un mero conjunto de reglas que permite predecir los resultados de los experimentos. Como se adelantó en la sección anterior, esta ambigüedad es uno de los conceptos básicos de la mecánica cuántica que más cuesta interpretar. Se vuelve a repetir la vieja cuestión de determinar si los habitantes de la materia microscópica son o no partículas, sin olvidar la relación probabilística de la ecuación onda. No olvidemos que cualquier partícula de menor tamaño que el átomo no se rige por las mismas leyes que los objetos macroscópicos. Este concepto es muy difícil de probar, pero a través de los años se ha intentado.
La función onda, llamada estado cuántico, especifica, hasta donde es posible, todas las cantidades de un sistema físico. Según su visión no todas las cantidades de un sistema tienen simultáneamente valores definidos. El ejemplo más claro de esta aseveración lo constituye el "principio de incertidumbre de Heisemberg" que establece la imposibilidad de definir al mismo tiempo la posición y el momento de una partícula. No hay que olvidar que el estado cuántico de un sistema proporciona de manera inequívoca la probabilidad de cada resultado posible de cada experimento que se desarrolla en el sistema.
Estadísticamente, si la probabilidad es 1 el resultado se producirá sin duda, así como al ser la probabilidad cero, el resultado no se dará. En medio de estos dos extremos se halla toda una gama de posibilidades las que se darán con más frecuencia cuanto más se acerquen a 1.
Para muchos personas, científicos inclusive, esta teoría sigue hallándose en conflicto con una imagen del mundo que muchos consideran obvia y natural. Esta imagen se basa en tres axiomas (por lo tanto se toman como verdades indemostrables).
La primera es el realismo, doctrina que establece que las regularidades observadas en los fenómenos apreciados están causadas por alguna realidad física cuya existencia es independiente del observador.
La segunda premisa establece que la inferencia inductiva es una forma válida para aplicarse libremente, por tanto, podemos deducir conclusiones legítimas a partir de observaciones coherentes.
La tercera premisa se la llama separabilidad o localidad de Einstein.
Expliquemos con un ejemplo para facilitar su entendimiento. Supongamos que se tiene dos personas, muy distanciadas una de otra, con una moneda cada una. Arrojan las monedas una gran cantidad de veces a fin de determinar la probabilidad que salga cara o cruz. El sentido común nos dice que, si las dos personas se alejan lo suficiente, la probabilidad de que una de ellas obtenga cara en un tiro es independiente del resultado obtenido por la otra. Aceptar la independencia de las probabilidades en juego es aceptar que el sistema formado por las dos monedas es "separable". En efecto, aunque antes hayan estado en estrecho contacto (en un bolsillo, por ejemplo), nadie pondrá en duda, en este caso, la vigencia de la separabilidad. Es más, Einstein establece que ningunas influencia (de la clase que sea) puede propagarse más rápido que la velocidad de la luz.
La argumentación a partir de estas premisas conduce a una predicción explícita de los resultados de una determinada clase de experimentos en física de las partículas elementales. También podemos acudir a las reglas de las mecánica para calcular los resultados de estos experimentos. Ambas predicciones son distintas, por lo tanto, o las teorías realistas locales o la mecánica cuántica, tienen que ser falsas.
Einstein se interesó mucho por la mecánica cuántica, a veces desde el punto de vista crítico. Su sentido físico le decía que la exactitud de las predicciones de la teoría no era razón para aceptar la interpretación probabilística de Max Born, Werner Heisemberg, Niels Bohr y otros, conocida como "Interpretación de Copenhague", debido al nombre de la ciudad en la que residía Bohr. Para refutar esta interpretación, Einstein publicó en 1935, junto a Boris Podolsky y Nathan Rose, un célebre artículo titulado "¿Puede considerarse completa la descripción que de la realidad física da la Mecánica Cuántica?.
En aquel tiempo los éxitos de la mecánica cuántica eran ya tales que era natural considerar exactas sus predicciones. Desde ese punto de vista Einstein, Podolsky y Rose (EPR) idearon un hábil experimento imaginario. Calcularon los resultados que debía obtenerse según la mecánica cuántica y razonaron del modo siguiente: <<>>. De allí extraemos que el movimiento de una partícula debe describirse en términos de probabilidad por la única razón de que hay algunos parámetros que determinan el movimiento que todavía no han sido determinados. En cuanto los valores de estas hipotéticas "variables ocultas" lleguen a conocerse se podrá definir una trayectoria totalmente determinista.
Muchísimos físicos han apoyado la visión del argumento EPR tachando de "dogma" a la interpretación Copenhague: <<>> (Teoría alternativa de Bohm a la mecánica cuántica - David Z. Albert - Investigación y Ciencia Nº 214 - Julio 1994 - Pág. 20). El argumento EPR históricamente fue desarrollado a partir de las variables de posición e impulso de dos partículas correlacionadas. David Bohm, del Colegio Birbeck de Londres, la reformuló para variables de espín (1951); su versión modificada sirvió a Jhon Bell de punto de partida para establecer sus famosas desigualdades. Para cualquier partícula la mecánica cuántica prevee la posibilidad de que posea un momento cinético de rotación interna o espín, incluso en el caso de que tal partícula sea estrictamente puntual. Dicho sea de paso, he aquí otro ejemplo de resultado cuántico poco intuitivo. ¿Cómo imaginar, en efecto, la rotación sobre sí mismo de un objeto puntual que, por tanto, carece de estructura interna?...
A partir de 1971 se idearon experimentos destinados a probar cual de las teorías era la correcta. La mayoría suplantó al protón por el fotón (unidad - cuanta - de la radiación electromagnética).
El fotón, unidad fundamental de la luz, puede comportarse como onda o como partícula y persistir en ese estado de ambigüedad hasta que se realiza una medición. Si se mide una propiedad corpuscular se comporta como partícula; si se mide una propiedad ondulatoria, lo hará como onda. Que el fotón sea onda o partícula que queda indefinido hasta que se haga una medición.
La función onda del fotón permite conocer tres "propiedades" del fotón: su dirección, su frecuencia y su polarización lineal. Esta última es análoga al espín de una partícula másica.
El principio de superposición constituyente otra idea fundamental de la mecánica cuántica. Afirma que, a partir de dos estados cuánticos cualesquiera de un sistema, puede formarse otros estados superponiéndolos. En un contexto físico, la operación corresponde a formar un nuevo estado que se "solapa" con cada uno de los estados que lo constituyeron, de la interferencia de dos ondas resulta una tercera.
Basta las dos ideas básicas (incertidumbre y superposición) para advertir que la mecánica cuántica entra en conflicto con el sentido común, nuevamente.
La mayoría de los resultados experimentales están de acuerdo con las predicciones de la mecánica cuántica y discrepan de la de los modelos de las variables ocultas.
Hasta comienzo de la década del ochenta, permitiendo mantener las esperanzas a los defensores incondicionales de variables ocultas:
Para acabar con ese punto débil, Alain Aspect, Jean Dalibard y Gerard Roger, del Instituto de Óptica de la Universidad de Paris, realizaron un espectacular experimento. Ocho años de trabajo exigió el experimento que concluyó en 1982. Se esperaba, pues, que de acuerdo con el teorema, habría violaciones de correlación de la mecánica cuántica en los resultados experimentales. La verdad es que el experimento produjo el resultado opuesto. Los datos de las correlaciones concordaban, dentro del error experimental, con las predicciones mecánico - cuánticas. Aún cuando el experimento no sea absolutamente definitivo, la mayoría de la gente considera que las perspectivas de invertir los resultados son mínimas.
Parece poco probable que la familia de los modelos locales pueda salvarse. Ahora sólo resta hallar cual de las premisas es la que debe corregirse. Todo apunta que la tercera, la llamada separabilidad de Einstein, deberá analizarse cuidadosamente y verificar hasta donde llega su veracidad.