La naturaleza de la realidad y el rol de la filosofía en la mecánica cuántica Un modelo de ciencia no-determinista o una teoría probabilística incompleta Dr. Ramón López Alemán Departamento de Ciencias Físicas

El Paradigma Newtoniano en las ciencias El éxito del paradigma Newtoniano inspiró la Revolución científica moderna. Las demás ciencias naturales empezaron a moverse a buscar explicaciones “a la Newton” para todos los fenómenos observables. Presupuestos filosóficos básicos Materialismo Reduccionismo Empirismo Determinismo

Revoluciones del Siglo XX: Relatividad General y Mecánica Cuántica Luego de la influencia de Mach y los éxitos empíricos impresionantes de estas teorías aún vigentes (aunque incompatibles entre sí) se crearon dos corrientes filosóficas opuestas en la física fundamental: Positivismo lógico – las teorías físicas no reflejan la realidad. Solo son herramientas computacionales que no deben hablar de entes que no tengan correlatos empíricos. Realismo “reducido” – las teorías matemáticas de la física deben buscar una descripción completa y satisfactoria de una realidad externa pero puede haber un enorme número de teorías equivalentes (difeomórficamente equivalentes).

Reduccionismo y Empirismo en las ciencias humanas y sociales En oposición a estas visiones epistemológicas en cuanto a qué se refieren las teorías científicas, en la psicología y sociología modernas hay aún más cuestionamientos serios al empirismo, el uso de las matemáticas y el reduccionismo como herramientas indispensables para crear conocimiento científico válido. Varias escuelas de pensamiento en las ciencias sociales creen que los fenómenos de la conciencia y el comportamiento humano no se pueden reducir a interacciones bioquímicas entre neuronas. Según esta visión hay realidades “mentales” que no se pueden capturar con un tratamiento lógico-matemático basado solo en datos empíricos.

El Modelo Estándar de la Materia Ver página de web en http://particleadventure.org

Issues filosóficos principales en discusión Naturaleza de la realidad ¿Cómo debe ser una teoría científica del mundo? Materialismo y reduccionismo Causalidad y determinismo Límites de la medición y el conocimiento Probabilidad: Concepto matemático o realidad física EPR y las desigualdades de Bell Interpretación de Copenhagen: indeterminismo local Bohm y la onda piloto: determinismo no-local Determinismo vs libre albedrío El papel de la conciencia en colapsar la función de onda

La Interpretación de Copenhagen Bohr fue el originador y campeón de lo que se conoce como la “interpretación de Copenhagen” Es una manera de hacer sentido físico de qué es lo que pasa cuando hacemos una medida sobre un sistema o partícula cuántica (para estos propósitos una molécula, un átomo o una partícula sub-atómica de orden 10-9 metros o menor) La mecánica cuántica es una teoría que nos permite hacer predicciones muy exactas sobre medidas de las propiedades físicas de esas partículas

Bohr adopta una posición positivista respecto al principio de incertidumbre de Heisenberg. Alega que si hay límites a cuan preciso se puede medir una cantidad el no tener información adicional sobre esas cantidades no es debido a ignorancia de nuestra parte sino porque NO EXISTE esa cantidad de forma exacta en la naturaleza HASTA QUE LA MEDIMOS. Esencialmente postula que las cosas solo existen y adquieren sus propiedades físicas cuando se miden, y que si no se miden no las tienen

Según Bohr una partícula cuántica existe en un estado indeterminado que no ocupa ninguna posición y que está extendido por el espacio en varios lugares a la misma vez y que posee varias velocidades y posibles interacciones con su ambiente. Toda la información sobre la existencia y propiedades de esa partícula está contenida en una descripción puramente matemática y probabilística llamada “la función de onda”, y ésta se determina totalmente por su energía y posibles interacciones con su entorno.

De acuerdo a la IC cuando los físicos hacemos una medida para determinar alguna propiedad de la partícula (que implica chocar o interactuar con otras partículas e intercambiar energía y momentum) la función de onda de ésta, (que existía en un estado extendido y donde todas las posibles propiedades vivían mezcladas de forma aleatoria), COLAPSA al ser medida y es entonces que adquiere uno de los posibles valores de entre el set de probabilidades accesibles. Las partículas no tienen una existencia real definida hasta que se las mide.

La naturaleza de la realidad es por tanto aleatoria e indeterminista y solo existe como una función matemática extendida que consiste de probabilidades. Pero la probabilidad se define como un cálculo que se hace para describir un grupo de datos y por tanto no tiene una existencia propia. ¿Cuál es la realidad ontológica de una “onda de probabilidad”? La IC nunca contesta satisfactoriamente esta pregunta. El que algo adquiera su realidad física de una medida lleva a algunos a interpretar esto como que la conciencia humana es capaz de alterar y modificar la realidad física.

Objecciones de Einstein Einstein niega el que una teoría física sobre la realidad pueda ser indeterminista y solo hablar de probabilidades como un concepto que existe en sí mismo. Para Einstein la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica implica que no es una teoría fundamental de cómo se comportan las partículas, y por tanto debe estar incompleta. Cree que las partículas deben existir con una posición y velocidad definidas, y que solo son alteradas de forma causal por las interacciones con otras.

Como la diferencia principal está en como se interpreta el principio de incertidumbre, Einstein intenta mediante varios experimentos mentales probar que el principio es lógicamente inconsistente y que deben existir valores reales para las cantidades aunque no puedan ser medidas simultáneamente con exactitud. Bohr logra demostrarle a Einstein que si la relatividad y la mecánica cuántica son ciertas que las limitaciones a la exactitud de las medidas no solo son lógicamente consistentes entre sí, sino que siempre estarán presentes en toda medida real. Einstein se ve forzado a conceder este punto.

¿Ganó Bohr el debate en verdad? El punto filosófico de Einstein sigue siendo válido: el que uno no pueda medir empíricamente una cantidad no necesariamente quiere decir que la cantidad no existe, y que solo existe lo que se puede medir. La contención de Einstein sigue siendo que las partículas sí existen con posiciones y velocidades reales aunque no se puedan medir, y que probablemente se pueda hacer una teoría de “variables escondidas” que suplante a la MC donde los valores de estas variables se infieran lógicamente aunque no se midan.

Para argumentar que esto debe ser así, Einstein y sus colaboradores Podolsky & Rosen inventan lo que se conoce como “la paradoja EPR”. Esta usa el fenómeno cuántico de “entanglement” (producción de un par de partículas por un mismo evento que por lo tanto comparten la misma función de onda) Las propiedades de ambas tienen que ser complementarias al medirse, no importa cual de ellas se mida porque sus propiedades están “enredadas” irremediablemente una con la otra. Según la IC las partículas no poseen ninguna propiedad y existen en una superposición de todas las posibles propiedades hasta que la propiedad se mida. Al medir una de ellas la función de onda colapsa y la otra adquiere la propiedad complementaria debido a la medida hecha en su compañera.

Según EPR el medir la propiedad en una de las partículas y no tocar para nada la otra implica que esa otra ya tenía la propiedad desde que salieron juntas de la fuente. Porque si no el determinar una propiedad en un lado y determinar por tanto la otra exactamente en el otro lado instantáneamente implicaría comunicación superluminal entre ambas, lo cual contradice el principio básico de la relatividad.

Desigualdades de Bell El matemático John S. Bell logra demostrar que si uno hace varios experimentos de correlaciones EPR la estadística de poseer “variables escondidas” que determinen las propiedades sin “enlazamiento cuántico” es diferente de si como alega la mecánica cuántica no existen tales variables y las propiedades adquieren un valor al azar como postula la MC En cuidadosos experimentos hechos por el equipo de Alain Aspect en 1982 se demuestra conclusivamente que las correlaciones observadas no son compatibles con la hipótesis de que las partículas poseen variables escondidas al momento de ser emitidas(*)

Teoría de la onda piloto de David Bohm La restricción de la desigualdad de Bell solo es válida si uno asume que las “variables escondidas” de la partícula en cuestión no han sido cambiadas desde que se origina el par de partículas entrelazadas en el experimento de EPR. David Bohm ha propuesto una interpretación donde un sistema cuántico no tiene una dualidad onda-partícula como en la IC sino que existen DOS ENTES SEPARADOS: una partícula con posición y velocidad definidas (pero “escondidas”), y una onda o “potencial cuántico” que es capaz de influenciar el movimiento de la partícula transmitiéndole información de su entorno. Para poder cumplir con las ecuaciones que definen los campos cuánticos y ser compatible con los resultados experimentales de la desigualdad de Bell esta onda debe poder comunicarle información a la partícula a velocidades más rápidas que la de la luz

A Einstein esto no le hubiese gustado mucho Bohm provee ideas para intentar distinguir experimentalmente esto de la interpretación convencional Pero necesitaría tecnología que aún no tenemos

Algunas Referencias Bohr–Einstein debates Bohr vs Einstein http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr-Einstein_debates Bohr vs Einstein http://homepages.paradise.net.nz/rochelle.f/Bohr-v-Einstein.html LA POLÉMICA BOHR-EINSTEIN http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/31/htm/sec_7.htm