jueves 1 de octubre de 2020

Sociedad

Física teórica: Einstein, Bohr y los fantasmas cuánticos

Hace casi cien años, Albert Einstein y Niels Bohr protagonizaron un histórico debate sobre sus respectivas visiones del mundo real y su relación con el mundo cuántico. En 2016, se definió experimentalmente en forma definitiva la cuestión.

En los albores del siglo XX se publicaron dos teorías científicas que revolucionaron las ideas sobre el mundo físico. En 1900 Planck (Nobel 1918) concibió la idea que la energía estaba compuesta por pequeñas unidades elementales, que luego denominó “cuantos”, dando origen a una nueva interpretación física de la realidad que se desarrolló como “Física Cuántica”.

En 1905 Einstein publicó su trabajo sobre la Teoría de la Relatividad (posteriormente denominada Teoría Restringida de la Relatividad), donde indicaba que la velocidad de la luz en el vacío era una constante universal, siendo la misma para cualquier observador y que no podía ser superada. Fue completada en 1915 con la Teoría General de la Relatividad, que postuló una nueva interpretación de la gravedad como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo por la presencia de materia y energía y no por una fuerza atractiva gravitatoria como indicara Newton.

Einstein tempranamente aceptó el concepto de los cuantos, interpretando el llamado “efecto fotoeléctrico como la interacción de los “cuantos de luz”, -luego denominados “fotones”- con la materia. Por este trabajo recibió en 1921 el Premio Nobel de Física, y no por su Teoría de la Relatividad, que estaba sujeta a controversia entre los científicos.

La Física Cuántica se desarrolló rápidamente: en 1913 Niels Bohr (Nobel 1922) concibió un modelo de átomo según la teoría cuántica. En 1925 Erwin Schrödinger (Nobel 1932) escribió la llamada “función de onda” que expresa matemáticamente el conocimiento que se puede tener de un sistema o partícula, dando los fundamentos de la mecánica ondulatoria. El mismo año Werner Heisenberg (Nobel 1932) desarrolló la teoría de la mecánica matricial, base de la mecánica cuántica.

Paul Dirac (Nobel 1933) en 1926 desarrolló una versión de la mecánica cuántica en la que unía el trabajo previo de Werner Heisenberg y el de Erwin Schrödinger en un único modelo matemático que asocia cantidades medibles con operadores que actúan en el espacio vectorial de Hilbert y describe el estado físico del sistema. Por este trabajo recibió un doctorado en física por Cambridge.

También en 1926 Max Born (Nobel 1954) dio una interpretación probabilística de la función de onda: la misma indica la probabilidad de encontrar una partícula en un punto dado.

Einstein se opuso a esta postura y dice su célebre frase: “Dios no juega a los dados”. Bohr le contestó en una ocasión: “No nos corresponde a nosotros decir a Dios cómo debe gobernar el mundo”.

En 1927 Heisenberg (Nobel 1932) dio a conocer el Principio de Incertidumbre: no se puede conocer simultáneamente dos variables relacionadas de una partícula. Por ejemplo: si se conoce con exactitud la posición, no se puede conocer al mismo tiempo su velocidad con precisión.

En 1927 se celebró la Conferencia Solvay en Bruselas, reuniendo a los más reconocidos físicos del mundo. En la misma Einstein y Bohr protagonizaron la histórica polémica de sus dos interpretaciones distintas de los fenómenos cuánticos.

Bohr y sus colaboradores defendieron lo que se llamó la “Interpretación de Copenhague”, debido a que allí estaba el Instituto de Física que dirigía Bohr. Según dicha interpretación, no existe más realidad cuántica que la revelada por una medición u observación. Resultaba absurdo afirmar la existencia de una partícula si no existe una observación experimental de la misma. Más aún la partícula está en todos los estados posibles y, cuando es detectada por el observador, “colapsaba” la correspondiente función de onda y desaparecían todos los otros estados posibles de la misma.

Además, esta interpretación admitía el Principio de Correspondencia de Bohr, según el cual a partir de determinados valores relacionados con la denominada constante de Planck, las leyes de la física cuántica se igualaban a los de la física clásica (o newtoniana). Según Bohr existía un Principio de Complementariedad el cual afirmaba que la luz y la materia exhibían comportamientos ondulatorios o corpusculares según qué experimento se realizaba y las dos naturalezas eran correctas y no se excluían. Se agregaba el Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

Einstein no estaba de acuerdo con esta interpretación y se generó una controversia entre él y Bohr. Finalmente hubo un consenso mayoritario de aceptación de la “Interpretación de Copenhague”

Existe un fenómeno cuántico llamado “entrelazamiento” introducido por Schrödinger: dos partículas pueden estar entrelazadas de manera tal que se conozca con precisión los parámetros del conjunto, pero los valores de cada una se comportan aleatoriamente, es decir no se pueden predecir. Pero además si se cambia los valores de una partícula, la otra partícula entrelazada cambia instantáneamente ese valor de manera tal que el valor del conjunto no cambia.

Comportamientos aleatorios, cosas que se hacen realidad sólo cuando los medimos, comunicaciones instantáneas, era todas cosas que a Einstein no le resultaban satisfactorias. Él consideraba que si algo se podía medir o examinar es porque existía previo a la observación. Como alguna vez dijo: “La Luna existe, aunque nadie la mire”.

Todo esto implicaba una nueva visión de la realidad y el papel decisivo del observador, con profundas consecuencias filosóficas.

Fruto de estas dudas, en 1935 publicó un trabajo junto a sus colaboradores Podolsky y Rosen, en Physical Review, conocido como EPR por los nombres de sus autores. Partiendo de los conceptos de la realidad física y de la localidad, es decir la acción de un evento puede influir sobre su vecindad, pero no puede hacerlo a objetos distantes en forma instantánea, superando de esta forma la velocidad de la luz. Llamaron a esta supuesta acción a distancia “acción fantasmal a distancia”. Postulaban en el artículo que seguramente había realidades que todavía no se conocían a las que llamaron “variables ocultas”.

Pasaron los años y las posturas de Bohr y de Einstein no se modificaron substancialmente. Mientras tanto las técnicas de la cuántica se confirmaban por los resultados de sus cálculos, que lograban increíbles precisiones, a pesar de ser totalmente contraintuitivas. Feymann (Nobel 1965) dijo en una ocasión “realmente nadie entiende la Mecánica Cuántica”. Pero el hecho es que funcionaba. Toda la electrónica moderna, incluidos los celulares, funcionan bajo las reglas de la cuántica.

En 1964 John Bell publicó su teorema, llamado posteriormente “desigualdades de Bell” donde demostró que un experimento que coincida con los datos experimentales no puede ser realizado con “variables ocultas”.

En 1972 y luego en 1982 se realizaron los experimentos descriptos por Bell, pero los resultados dejaban dudas.

Recién en 2015, los equipos de la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda) y poco después las Universidades de Viena y Munich pudieron realizar experimentos que sin lugar a dudas confirmaron la realidad del entrelazamiento cuántico, luego de medio siglo del experimento mental EPR.

Esto es: la realidad a nivel atómico (por extraño y chocante que resulte para nuestra intuición), es como nos lo dice la Mecánica Cuántica.

Hoy, la aleatoriedad inherente a los fenómenos cuánticos y el entrelazamiento de las partículas tienen una aplicación de fundamental importancia en la seguridad de las comunicaciones en las técnicas del encriptado cuántico.

N. de la R: Este tema y otros similares son tratados en las reuniones semanales del AAA que se realizan en la UTN Facultad Regional Mendoza. Si desea más información sobre las actividades del AAA, conectarse con ateneoac.mo@gmail.com 

CORRIGIÓ FERNANDO DIEZ 

Producción y edición: Miguel Títiro