Este artículo trata sobre lo que es la realidad cuántica y cual es el significado «real» de la función de onda. Ha sido un asunto recurrente en física desde el principio de la mecánica cuántica, y se han realizado infinidad de interpretaciones diferentes. Abordamos ahora ésta interesante cuestión …
Índice
Algunos conceptos previos
Discontinuidad en la naturaleza: El fenómeno cuántico se distingue por la discontinuidad de las magnitudes que se desean medir, presentándose en valores discretos en lugar de continuos. Esto contrasta con el mundo macroscópico que habitamos, donde características como posición, fuerza o energía pueden asumir cualquier valor dentro de un rango.
Un ejemplo ilustrativo de este comportamiento cuántico se observa al pasar luz de neón a través de un prisma: en lugar de formar un espectro continuo de colores, aparecen zonas negras sin luz visible. Esto se debe a la cuantificación de la energía dentro del átomo. Los electrones solo pueden ocupar niveles específicos de energía, y al cambiar de un nivel a otro emiten o absorben fotones con energías definidas. Cada uno de estos saltos de energía genera un color puro, asociado a una energía particular.
Probabilidad: Una medida específica de valor «X» está asociada a una probabilidad definida de manifestarse. Siguiendo con el ejemplo del espectro del Neón, cada medición individual corresponderá a un único color. En otras palabras, un solo fotón emitido o absorbido en un salto de energía produce un color específico, único en el espectro.
El espectro completo que observamos, compuesto por varios colores separados por zonas negras, es el resultado de una infinidad de fotones que se generan en distintas transiciones electrónicas. Sin embargo, cada fotón individual está relacionado con una transición específica entre niveles de energía, lo que explica que presente un único color correspondiente a esa energía particular.
Función de onda: Es el objeto matemático al que se consulta para predecir (estadísticamente) la probabilidad de cada valor en un conjunto de medidas. Esta afirmación lleva implícito que una única medida puede arrojar cualquier valor dentro del espectro de valores esperados, eso sí con cierta probabilidad, que puede ser mayor o menor. Sucede lo mismo si se lanza una moneda al aire: estadísticamente se obtiene un 50% de caras, pero un lanzamiento único puede arrojar cualquier resultado. Dentro de la mecánica cuántica no existe una aproximación mejor a la realidad que esta aproximación estadística.
Autoestado de la función de onda: Cada uno de los estados independientes del tiempo de un sistema cuántico, caracterizados por poseer una energía definida.
Evolución determinista (unitaria) de la función de onda: La función de onda evoluciona de acuerdo a la ecuación de Schrödinger de forma completamente determinada y es posible predecir con exactitud las probabilidades futuras, pero solamente si no se interacciona con el sistema.
Colapso de la función de onda: En el momento en el que se interacciona con el sistema, por ejemplo para realizar una medida experimental, se obtiene un resultado. La función de onda cambia a partir de ése momento para representar una certeza de un 100% sobre ese resultado obtenido. A partir de este momento sigue una evolución determinista. A este proceso se le llama «colapso de la función de onda». En el experimento de Stern-Gerlach se produce un chorro de electrones (por ejemplo 1.000) orientados al azar. Una vez que se determina que un conjunto dado tiene una orientación, por ejemplo 500 de ellos adecuadamente separados en un chorro específico, es posible medir de nuevo cómo conservan su orientación sin error. La segunda medida ya NO es estadística. La función de onda ha cambiado a partir de la primera medida para reflejar la certeza.
Principio de incertidumbre de Heisenberg (1927): Existen magnitudes que no se pueden conocer con certeza simultáneamente, como por ejemplo la posición y el momento (masa por velocidad en mecánica clásica), o bien la energía y el tiempo. Existe un límite inferior al error que se puede cometer dado por la ecuación \Delta x \cdot \Delta p \ge \frac{h}{4 \pi}, o bien \Delta E \cdot \Delta \tau \ge \frac{h}{4 \pi}, siendo h, la constante de Planck, del orden de 10^{-34} J.s muy por debajo del nivel de la experiencia humana corriente. El problema no está en la tecnología de la medición, sino que es un límite de la naturaleza al que me referiré de nuevo al final. También la constante de Planck es llamada la unidad de acción que es como los físicos llamamos al producto de la energía por el tiempo. Del principio de incertidumbre se deduce que la acción viene dada en «paquetes» o «cuantos» de valor comparable a h.
La realidad cuántica de la función de onda
Visto lo anterior, estamos en condiciones de preguntarnos: ¿existe una realidad cuántica anterior a la medida? ¿Representa la función de onda algo real? Sobre este tema se han vertido numerosas opiniones, que van desde los puntos de vista más extremos, donde se le atribuye a la función de onda una realidad física del 0%, hasta aquellos que le confieren un 100%, pasando por enfoques intermedios. A continuación, presentamos los más significativos, ordenados de menor a mayor según su «densidad de realidad».
Interpretación ortodoxa o de Copenhague: Le vamos a puntuar con un 0%-10% de realidad anterior a la medida, dependiendo del autor. La idea central es que es difícil asociar una realidad objetiva a algo que no se puede medir (lo que sucede antes de la medición). La función de onda lleva toda la información que se puede conocer de un sistema en el momento de la medida, con lo que la realidad se define en ese momento y no antes. Cuando se realiza la medición de la partícula, ésta se nos presenta en un autoestado, el modelo matemático que es la función de onda se dice que «colapsa», y ésa es la única realidad que de facto se puede conocer.
También se acepta el principio de indeterminación. Es posible construir un aparato que mida la posición y otro aparato que mida el momento, pero no uno que mida a la vez la posición y el momento. Por tanto estas magnitudes no son una realidad del sistema que se está estudiando, sino que se atribuyen al aparato de medida.
En una medida de posición, por ejemplo como la que se realiza con el microscopio de rayos gamma, el electrón es forzado a una decisión. Nosotros le obligamos a tomar una posición definida; previamente no estaba en general ni aquí ni allí; él no había realizado su decisión de una posición definida. (…) Nosotros mismos producimos los resultados de la medida.
En palabras de P. Jordan
La realidad objetiva acaba de evaporarse
W. Heisenberg
En general los libros de física cuántica están escritos en este estilo ortodoxo, ya que no se introduce ninguna cuestión que no haya sido experimentalmente comprobada. Algunos de sus detractores arguyen que si no se puede hablar de realidad a nivel cuántico, no se puede hablar de realidad a ningún nivel, y la ciencia precisamente trata de determinar cuál es la realidad (R. Penrose).
Positivista: Es la más gnóstica, le otorgo un 50% de realidad ya que no contesta la pregunta, y por ser equilibrado. Para estos científicos, la pregunta sobre la realidad no es científica. La ciencia puede hablar de lo que ocurre a partir de un experimento, y desde un punto de vista puramente pragmático. El resto está fuera de su universo. Si existe una realidad anterior o no, incluso si existe cualquier tipo de realidad, es una pregunta que escapa al ámbito de la ciencia.
Teoría estadística: Le asigno un 80% de «densidad de realidad». La mecánica cuántica es una teoría estadística ya que existen fluctuaciones sobre los experimentos que provienen del ambiente, y que por el momento no sabemos cuales son (fluctuaciones del vacío cuántico por ejemplo). Sin embargo sí que existe una realidad tal que si estos efectos desaparecieran, se nos haría patente de inmediato.
Teoría de variables ocultas: 95%-100%, la realidad es total. Existe una realidad oculta determinista al igual que en la mecánica clásica. Esta realidad puede ser descrita por variables que desconocemos, y se manifiesta cuando realizamos la medición. En este sentido sí que existe una realidad anterior a la medición, y uno de los fans de esta teoría era el propio Einstein.
Dios no juega a los dados
A. Einstein
Teoría de los universos múltiples: Aunque la idea de los multiversos ha emergido de diversos orígenes, como la religión y la cosmología científica, aquí nos referimos específicamente a la propuesta de Hugh Everett. Según esta interpretación, cada vez que se realiza una medición cuántica, se materializan todas las posibilidades de la función de onda, pero solo podemos percibir una de ellas: aquella que corresponde al resultado observado en nuestra medición.
El resto de los resultados posibles ocurren en universos paralelos que se generan en el momento de la medición. Cada uno de estos universos evoluciona con su propia historia independiente. Por ejemplo, si un sistema cuántico puede adoptar 10 niveles de energía distintos, al realizar la medición, el universo se desdobla en 10 universos paralelos, de los cuales solo uno corresponde al nuestro. Los demás permanecen inalcanzables para nosotros.
Los detractores de esta teoría argumentan que introducir en el modelo objetos no observables va en contra del método científico, ya que hace que la teoría no sea falsable. Por ello, se están explorando experimentos que puedan detectar alguna interacción entre nuestro universo y otros posibles universos.
Otro cuestionamiento a esta teoría es la idea de que el universo «espera» a que un investigador realice una medición para desdoblarse en tantos universos como autoestados tenga la función de onda. Si descartamos esta visión que atribuye casi un carácter divino al investigador, habría que suponer que desde el Big Bang hasta el presente, cada interacción entre partículas ha generado un número inmenso de universos, igual al número de autoestados de la función de onda en cada caso. Bajo esta perspectiva, el total de multiversos sería no solo astronómico, sino absurdamente infinito, algo que, aunque no es un argumento científico, resulta profundamente humano en su insatisfacción.
Teorías de realidad discontinua
La discontinuidad del espacio-tiempo es una hipótesis explorada en investigaciones sobre supercuerdas y gravedad cuántica. El aparato matemático asociado a esta idea aún está en desarrollo y no ha sido respaldado experimentalmente.
En otras interpretaciones, incluyendo la ortodoxa, el espacio-tiempo se concibe como continuo, lo que implica que el tiempo también lo es. Por este motivo, es necesario proponer algo para explicar qué ocurre entre dos medidas. En contraste, las teorías de la realidad discontinua postulan que el tiempo es discontinuo y no atribuyen realidad a los intervalos entre medidas. Según estas teorías, la evolución unitaria representa la forma en que percibimos los saltos cuánticos de realidad, a los que se les puede asignar un 100% de «realidad discontinua».
De manera general, estas teorías plantean que la realidad misma es discontinua, como consecuencia de la discontinuidad de la acción. Esta realidad nos es presentada en unidades de h, manifestándose únicamente durante una medida. Cada medida implica el reconocimiento de ciertas unidades de acción discretas. Dichas unidades, que representan una cantidad definida de energía durante un tiempo específico, son las que delimitan la realidad. Por ello, no es que la realidad no exista entre dos medidas, sino que los conceptos de tiempo entre medidas o anterior a una medida resultan irrelevantes en este marco.
Y hasta aquí llega esta reflexión. Espero que te haya gustado y si acaso deseas opinar, en los comentarios estaré encantado de leerte.