Autor: Jan Westerhoff, 2 de octubre 2012
Nada parece más real que el mundo de los objetos cotidianos, pero las cosas no son como parecen. Un conjunto de experimentos relativamente simples revelan enormes agujeros es nuestra comprensión intuitiva de la realidad física. El tratar de explicar lo que sucede conduce a algunas teorías muy peculiares y a menudo sorprendentes sobre el mundo que nos rodea.
He aquí un simple ejemplo. Tomemos una lámpara de escritorio normal, unas cuantas piezas de cartulina con agujeros de tamaños decrecientes, y algún tipo de pantalla de proyección, como una pared blanca. Si pones la cartulina entre la lámpara y la pared, veremos una mancha brillante donde la luz pasa a través del agujero de la cartulina. Si ahora reemplazamos la cartulina con piezas que contengan agujeros más y más pequeños, las manchas de luz también disminuirán de tamaño. Pero una vez que estemos por debajo de un cierto tamaño, el patrón sobre la pared cambia desde un pequeño punto a una serie de anillos concéntricos oscuros y claros, más bien como una diana de tiro con arco. Este es el «patrón de Airy«, el signo característico de una onda que se ve forzada a pasar por un agujero (ver imagen).
En sí mismo, esto no tiene nada de sorprendente. Después de todo, sabemos que la luz es una onda, por lo que debe mostrar un comportamiento ondulatorio.
Pero consideremos ahora lo que sucede si cambiamos un poco la configuración del experimento. En lugar de una lámpara, se utiliza un dispositivo que dispara electrones, como el que había en los televisores antiguos, y en lugar de una pared, utilizamos una placa de cristal recubierta con fósforo que se ilumina cuando la golpea un electrón. De esta manera, podemos usar esta pantalla para realizar un seguimiento de los sitios donde chocan los electrones. Los resultados son similares: con agujeros lo suficientemente pequeños da lugar al disco de Airy.
Esto tiene ahora una pinta peculiar: los electrones son partículas localizadas en puntos exactos y no se puede dividir; sin embargo, se comportan como ondas que pueden marchar a través del espacio, son divisibles, y se fusionan entre sí cuando se encuentran.
Tal vez no sea tan extraño después de todo. El agua se compone de moléculas, sin embargo, se comporta como una onda. El patrón de Airy sólo puede surgir cuando bastantes partículas se unen, ya sean moléculas de agua o electrones.
Una variante simple de los experimentos demuestra que esto no puede ser correcto. Supongamos que reducimos la salida de la pistola de electrones a una partícula cada minuto. El patrón de Airy se ha ido, y todo lo que vemos es un pequeño destello cada minuto. Dejamos que esta configuración funcione por un tiempo, grabando cada pequeño destello que se produce. A continuación, mapeamos la ubicación de todos los miles de flashes.
Sorprendentemente, no terminan con una disposición aleatoria de puntos, sino en un nuevo patrón de Airy. Este resultado es extremadamente raro. Ningún electrón individual puede saber dónde van a golpear todos los electrones anteriores y posteriores, así que no pueden comunicarse entre sí para crear el patrón de ojo de buey. Más bien, cada electrón tiene que haber viajado como una onda a través del agujero para producir ese patrón característico, después regresa como partícula para producir el punto de la pantalla. Esto, por supuesto, se trata de la famosa dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.
Este extraño comportamiento es compartido por cualquier pieza lo suficientemente pequeña de la materia, incluyendo electrones, neutrones, fotones y otras partículas elementales, pero no sólo ellas. Se han observado efectos similares en los objetos que son lo bastante grandes, en principio, para ser vistos bajo un microscopio, como las buckybolas.
A fin de explicar el comportamiento peculiar de tales objetos, los físicos asocian una función de onda con cada uno de ellos. A pesar del hecho de que estas ondas tienen las propiedades normales de las ondas más familiares, como las ondas de sonido o del agua, incluyendo la amplitud (la distancia hacia arriba o abajo se desvía del estado de reposo), la fase (en qué punto de un ciclo está la onda) y las interferencias (en qué fases de «arriba» y «abajo» se reúnen las ondas y anulan entre sí), y lo que son las ondas en sí no está del todo transparente. Einstein acertadamente habló de su medio como un «campo fantasma».
Para una onda en un medio ordinario, tal como el agua, podemos calcular su energía en un punto si tomamos el cuadrado de su amplitud. Las funciones de onda, sin embargo, no acarrean energía. En lugar de eso, el cuadrado de su amplitud en cualquier punto dado, nos da la probabilidad de observar la partícula si un detector, como puede ser una pantalla recubierta de fósforo, se coloca allí.
Es evidente que el punto donde un objeto cambia de ser una onda de probabilidad, con su posible existencia a través de todo el espacio, para convertirse en un objeto real, espacialmente localizado, es de vital importancia a la hora de entender si la materia es real. ¿Qué sucede exactamente cuando la función de onda colapsa, o sea, cuando entre las innumerables posibilidades de ser de una partícula en cualquier momento, una es elegida, mientras que todos las demás son rechazadas?
En primer lugar, tenemos que preguntarnos si se hace esta elección. En el ejemplo descrito anteriormente, parece que suceda justo antes del flash sobre la pantalla de fósforo. En ese momento, la medición de la posición del electrón se hace por una parte del fósforo brillante, cuando la partícula lo golpea, por lo que debe haber habido un electrón allí, y no sólo una onda de probabilidad.
Pero asumamos que no estamos en el laboratorio para observar el experimento, así que apuntamos la cámara a la pantalla de fósforo y obtenemos un resultado que se envía a través de satélite a un ordenador de escritorio. En este caso, el flash de luz emitida desde la pantalla de fósforo tiene que viajar a la cámara de grabación, y el proceso se repite: como los electrones, la luz también viaja como una onda y llega como una partícula. ¿Qué razón hay para creer que el cambio de la onda de probabilidad a partícula ocurre realmente en la pantalla de fósforo, y no en la cámara?
Al principio, parecía que la pantalla de fósforo era un instrumento de medida, y que el electrón era lo que se medía. Pero ahora el dispositivo de medición es la cámara y la pantalla de fósforo es aquello que se mide. Teniendo en cuenta que cualquier objeto físico transmite la medida que podemos añadir a esta secuencia (cámara, ordenador, nuestros ojos, nuestro cerebro), que están hechos de partículas con las mismas propiedades que el electrón, ¿cómo podemos determinar cualquier paso en particular donde colocar el corte entre lo que se mide y lo qué está haciendo la medición?
Esta cadena cada vez más expandida, se llama cadena de von Neumann, en honor al físico y matemático John von Neumann. Uno de sus colegas, en la Universidad de Princeton, Eugene Wigner, hizo una sugerencia sobre dónde hacer el corte. Si seguimos hacia arriba en la cadena de von Neumann, la primera entidad que encontramos que de ninguna manera está formada de materia es la conciencia del observador. Por lo tanto, tal vez quiera decir que cuando la conciencia entra en escena, el colapso de la función de onda y de la onda de probabilidad se convierte en una partícula.
La idea de que la conciencia de la realidad cotidiana venga a la existencia es muy extraña por supuesto, tal vez no lo sea tanto si se ve desde un un punto de vista minoritario.
Hay otra forma de interpretar el problema de la medición que no implica la conciencia, aunque tiene sus propias ramificaciones peculiares. Pero por ahora vamos a explorar la idea de Wigner con mayor profundidad.
Si un observador consciente no colapsa la función de onda, también tiene consecuencias curiosas. Conforme más y más objetos se atrapen en la vortex de la cadena de von Neumann, mediante el cambio de instrumento de medición a ser aquello que se mide, la estructura «desplegada» de la onda de probabilidad se convierte también en una propiedad de estos objetos. La naturaleza «superpuesta» del electrón (su capacidad de estar en varios sitios a la vez) también afecta ahora a los instrumentos de medición.
Se ha comprobado experimentalmente que no sólo los pequeño objetos inobservables, sino los grandes objetos suficientemente grandes, como los vistos bajo microscopio, como una tira de metal de 60 micrómetros de largo, pueden exhibir un comportamiento de superposición. De acuerdo que no podemos mirar a través de un microscopio y ver esa banda de metal en dos sitios a la vez, ya que esto derrumbaría inmediatamente la función de onda. Sin embargo, está claro que la indeterminación que descubrimos a un nivel atómico se puede extender a un nivel macro.
Sin embargo, si aceptamos que la función de onda debe colapsar tan pronto como la conciencia entre en la medición, las consecuencias son aún más curiosas. Si decidimos romper la cadena en este punto, se deduce que, de acuerdo con una de las definiciones de la realidad, la materia no puede ser considerada como real. Si resulta necesaria la conciencia para convertir las fantasmales ondas de probabilidad en cosas, como los objetos que encontramos en la vida cotidiana, ¿cómo afirmar que la materia es lo que estaría allí de todos modos, dependiendo de si la mente humana estaba o no a su alrededor?
Pero quizá esto sea un poco apresurado. Incluso si estamos de acuerdo con la idea de que la conciencia es necesaria para romper la cadena, se deduce entonces que los atributos dinámicos de la materia, como la posición, el momentum y la orientación del spin dependen de la mente. Lo que no se deduce es que sus atributos estáticos, entre ellos la masa y la carga, dependan de ello. Los atributos estáticos están ahí, tanto si lo consideramos o no.
Sin embargo, tenemos que preguntarnos si la redefinición de la materia como «un conjunto de atributos estáticos» conserva bastante de su contenido para que podamos considerar la materia como algo real. En un mundo sin mentes, todavía habría atributos como la masa y la carga, pero las cosas no estarían en ninguna ubicación en particular o viajarían en ninguna dirección particular. Un mundo así no tiene prácticamente nada en común con el mundo tal y como se nos presenta. Werner Heisenberg señaló que, «la ontología del materialismo se basaba en la ilusión de que el tipo de existencia, la “realidad” directa del mundo que nos rodea, puede ser extrapolada en un rango atómico. Esta extrapolación, sin embargo, es imposible … Los átomos. no son las cosas».
Me parece que lo mejor a lo que vamos a llegar en este punto es la afirmación de que algunas cosas están ahí independientemente de que nosotros, como observadores humanos, estemos ahí, a pesar de que puede ser que tengamos muy poco que ver con la comprensión ordinaria de la materia.
¿Comprendemos la realidad del cambio de materia si elegimos la otra definición fuerte de la realidad, no por lo que está ahí de todos modos, sino por lo que proporciona de cimientos para todo lo demás?
Para responder a esta pregunta, tenemos que mirar en clave científica la noción de una explicación reductiva. Gran parte del poder de estas teorías científicas se deriva de la idea de que podemos utilizar una teoría que aplicada a un conjunto determinado de objetos pueda explicar el comportamiento de otro conjunto muy distinto de objetos. De esta manera, no necesitaremos un conjunto diferente de leyes y principios para explicar el segundo conjunto.
Un buen ejemplo puede ser la manera en que las teorías de la física y la química tratan la materia inanimada, puede ser usado para explicar los procesos biológicos. No hay necesidad de postular una física o una química especial para explicar el metabolismo de un organismo, cómo se procrea, cómo se transmite su información genética, o cómo envejece y muere. El comportamiento de las células que componen el organismo puede ser explicada en términos del núcleo, las mitocondrias y otras entidades subcelulares, a su vez, pueden ser explicadas en términos de reacciones químicas basadas en el comportamiento de las moléculas y los átomos que las componen. Por esta razón, las explicaciones de los procesos biológicos puede decirse que son reducibles a la química, y en última instancia, a procesos físicos.
Si buscamos una explicación reduccionista de los fenómenos que nos rodean, un primer paso sería reducir afirmaciones acerca de las cosas de tamaño medio que nos rodean (ladrillos, cerebro, abejas, facturas y bacterias), a declaraciones sobre los objetos materiales fundamentales, como las moléculas. Entonces nos damos cuenta de que cada una de estas cosas pueden ser explicadas en términos de sus componentes, a saber, sus átomos. Los átomos, por supuesto, tienen partes también, y ahora estamos en el buen camino hacia el ámbito de las cada vez más pequeñas partículas subatómicas, tal vez (si la teoría de cuerdas fuese correcta) hasta el final de las cuerdas vibrantes de pura energía. Hasta el momento no hemos llegado a los objetos más fundamentales. De hecho, no hay ni siquiera un acuerdo sobre tales objetos.
Sin embargo, esto no es razón para detener nuestra explicación reduccionista aquí, ya que siempre se pueden entender los objetos físicos más básicos en términos de dónde se encuentren en el espacio y el tiempo. En lugar de hablar de una cierta partícula que existe en tal o cual lugar en uno u otro período de tiempo, podemos simplemente reducir esto hablando de una cierta región del espacio que está ocupada entre dos distintos momentos.
Podemos llegar a algo más fundamental. Si tomamos un punto arbitrario fijo en el espacio, y una unidad estable de distancia espacial, podemos especificar cualquier otro punto en el espacio por tres coordenadas. Esto nos indica, simplemente, que vamos a tantas unidades hacia arriba o hacia abajo, así como muchas unidades hacia la izquierda o la derecha, y tantas unidades atrás o adelante. Podemos hacer lo mismo con los puntos en el tiempo. Ahora tenemos una forma de expresar los puntos en el espacio-tiempo como conjuntos de cuatro números, x, y, z, t, de donde x, y, z, representan las tres dimensiones espaciales y tes la dimensión de tiempo. De esta manera, la realidad se puede reducir a números.
Y esto abre la puerta a algo todavía más fundamental. Los matemáticos han encontrado una manera de reducir el número a algo aún más básico: los conjuntos. Para ello, sustituyen el número 0 por el conjunto vacío, el número 1 con el conjunto que contiene sólo un conjunto vacío, y así sucesivamente. Todas las propiedades de los números también son válidas para todos estos números sucedáneos, elaborados a partir de los conjuntos. Parece que ahora hayamos reducido todo el mundo material que nos rodea a una serie de conjuntos.
Por este motivo, es importante saber lo que son en realidad estos objetos matemáticos llamados conjuntos. Hay dos puntos de vista de los objetos matemáticos que importan en este contexto. El primero, existe la opinión de que estos son como objetos «platónicos». Esto significa que los objetos matemáticos son diferentes a todos los demás objetos que encontramos. No están hechas de materia, que no existen en el espacio o el tiempo, no cambian, no pueden crearse ni destruirse, y no pueden dejar de existir. Según la comprensión platónica, los objetos matemáticos existen en un «tercer reino» distinto del mundo de la materia, y por otro lado, el mundo de las entidades mentales, como las percepciones, pensamientos y sentimientos.
En segundo lugar, podemos entender que los objetos matemáticos son fundamentalmente de naturaleza mental. Son del mismo tipo que las otras cosas que pasan por nuestra mente: los pensamientos y los planes, conceptos e ideas. No son enteramente subjetivas, ya que otras personas pueden tener el mismo objeto matemático en sus mentes tal como hemos hecho nosotros con el nuestro, así que, cuando hablamos sobre el teorema de Pitágoras, estamos hablando de la misma cosa. Sin embargo, no existe más que en la mente de quienes lo piensan.
Cualquiera de estos entendimientos conduce a un resultado curioso. Si a un nivel de fondo el mundo consiste de conjuntos, y si los conjuntos no son materiales sino que son, de alguna manera, entidades platónicas, los objetos materiales han desaparecido por completo de la vista y no pueden ser reales en el sentido de constituir la base fundamental de toda existencia. Si continuamos con este reduccionismo científico hasta el final, nos encontramos con cosas que desde luego no se parecen a pequeñas piedras o bolas de billar, ni siquiera a las cuerdas que vibran en un espacio multidimensional, sino con algo más parecido a lo que trata la matemática pura.
Por supuesto, la visión platónica de los objetos matemáticos apenas tiene controversia, y a muchas personas les resulta difícil obtener una idea clara de cómo los objetos pueden existir fuera del espacio y del tiempo. Pero si tomamos los objetos matemáticos desde lo mental a la naturaleza, nos encontramos con un escenario aún más extraño.
El reduccionismo científico propone reducir la mente humana a la actividad del cerebro, el cerebro a un conjunto de células que interactúan, las células a moléculas, las moléculas a átomos, los átomos a partículas subatómicas, las partículas subatómicas a colecciones de puntos de espacio-tiempo, las colecciones de puntos del espacio-tiempo a conjuntos de números, y los conjuntos de números a conjuntos puros. Al final de esta reducción, ahora nos parece un círculo de vuelta a donde partimos: a las entidades mentales.
Nos encontramos con un curioso bucle, similar a la forma más influyente de comprensión de la mecánica cuántica, la interpretación de Copenhague. A diferencia de la interpretación basada en la conciencia de Wigner, esto no quiere supone que la función de onda colapse cuando una mente consciente observa el resultado de algún experimento. En vez de eso, esto sucede cuando el sistema para medir (el electrón) interactúa con el dispositivo de medición (la pantalla de fósforo). Por esta razón, tiene que suponer que la pantalla de fósforo no exhibirá ese peculiar comportamiento cuántico mostrado por el electrón.
En la interpretación de Copenhague, entonces, las cosas y los procesos descriptibles en términos de conceptos conocidos clásicos son los fundamentos de cualquier interpretación física. Y aquí es donde viene a cuento la circularidad. Analizamos el mundo cotidiano de las cosas materiales de tamaño medio en términos de constituyentes cada vez más pequeños, hasta que nos ocupamos de cosas tan pequeñas que los efectos cuánticos se vuelven relevantes para describirlos. Pero cuando se trata de detallar lo que realmente está pasando cuando una función de onda colapsa en un electrón que golpea la pantalla de fósforo, no basamos nuestra explicación en cosas más pequeñas que las micro estructuras, sino en términos de lecturas realizadas por las cosas materiales no-cuánticas.
Esto significa que en lugar de ir más abajo, saltamos hasta el nivel de los fenómenos concretos de la percepción sensorial, a saber, la medición de los dispositivos como pantallas de fósforo y cámaras. Una vez más, nos encontramos en una situación en la que no podemos decir que el mundo de los objetos cuánticos sea fundamental. Tampoco podemos decir que el mundo de los dispositivos de medición sea fundamental, ya que estos dispositivos no son otra cosa que grandes aglomeraciones de objetos cuánticos.
Por tanto, tenemos un círculo de cosas que dependen la una de la otra, eso sí, a diferencia del caso anterior, los objetos mentales ya no son parte de este círculo. Como resultado de ello, ni la pantalla de fósforo ni el minúsculo electrón se pueden considerar como reales en un sentido fundamental, puesto que no constituyen la clase de objetos de lo que todo dependa. Lo que pensamos que debería ser lo más fundamental viene a participar, básicamente, de lo que consideramos como lo menos fundamental.
En nuestra búsqueda de fundamentos, hemos dado la vuelta en círculo, desde la mente, a través de los diversos componentes de la materia, regresando a la mente o, en el caso de la interpretación de Copenhague, desde lo macroscópico a lo microscópico, y vuelta a lo macroscópico. Pero esto sólo significa que nada es fundamental, de la misma manera que no hay primera ni última parada en la línea circular del Metro de Londres. La moraleja que se traduce de la escena reduccionista parece decirnos que, o bien lo fundamental no es material, o que nada en absoluto es fundamental.
Autor: Jan Westerhoff es filósofo de la Universidad de Durham y de la Escuela de Estudios Orientales y Africanos y de la Universidad de Londres, ambas en el Reino Unido, y autor del libro “Reality: A very short introduction” -La Realidad: Una muy corta introduccion- (Oxford University Press, 2011)
– Edición Especial: ¿Qué es la realidad? .
– Imagen 1) Disco de Airy creado al pasar un haz láser a través de la abertura de un agujero de alfiler. Wikipedia.
– Imagen 2) Conjuntos.
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