En 1926, en el Instituto de Física Teórica de Copenhague reinaba una gran tensión. El instituto había sido fundado diez años antes por el físico danés Niels Bohr, que lo había convertido en un semillero de jóvenes colaboradores que buscaban una nueva teoría de los átomos. En 1925, uno de los protegidos de Bohr, el brillante y ambicioso físico alemán Werner Heisenberg, había elaborado una teoría similar. Pero ahora todos discutían sobre lo que implicaba para la naturaleza de la realidad física misma.

Para el grupo de Copenhague, la realidad parecía haberse desmoronado.

En 1913, Bohr había electrizado al mundo científico con su audaz teoría sobre la constitución de los átomos. Basándose en una idea propuesta en 1900 por el físico alemán Max Planck, afirmó que los electrones que orbitan alrededor del denso núcleo central están limitados a órbitas específicas y que sólo pueden saltar entre ellas emitiendo o absorbiendo luz en paquetes discretos de energía llamados cuantos.

La teoría le valió a Bohr el Premio Nobel en 1922, pero era una mezcla improvisada de física tradicional y la nueva hipótesis «cuántica» de Planck. Bohr ansiaba una explicación que llegara a la raíz de por qué los átomos parecían comportarse de esta manera peculiar. No podía construirse a partir de la mecánica clásica tradicional que había prevalecido desde que Isaac Newton expuso sus reglas básicas en el siglo XVII, sino que exigía una nueva mecánica de los cuantos.

Heisenberg ideó una “mecánica cuántica” de este tipo en el verano de 1925, cuando se encontraba en la isla de Heligoland, en el Mar del Norte, buscando alivio para su terrible fiebre del heno. Ambicioso, audaz y brillante, Heisenberg había llamado la atención de Bohr cuando, siendo estudiante, había cuestionado una de las afirmaciones de Bohr en una conferencia que el danés dio en la Universidad de Göttingen en 1922.

Niels Bohr caminaba de un lado a otro por la sala. Media docena de físicos gritaban sus objeciones.

Bohr había invitado al joven a Copenhague en 1924 y los dos comenzaron a buscar una forma de presentar la hipótesis cuántica en una forma matemática rigurosa. Heisenberg dio el mismo salto de fe que Bohr al idear su átomo cuántico: descartar lo que la tradición insiste en mantener y empezar de nuevo. Su plan implicaba escribir los números medidos experimentalmente para las frecuencias de luz emitidas por los átomos, en forma de columnas llamadas matrices. Estas podrían luego usarse para hacer cálculos, por ejemplo para predecir cuán intensos son los rayos emitidos.

La mecánica cuántica matricial de Heisenberg parecía el gran avance que Bohr estaba esperando. Como le escribió a su antiguo mentor, el neozelandés Ernest Rutherford en Inglaterra: “Ahora vemos la posibilidad de desarrollar una teoría cuantitativa de la estructura atómica”.

Sin embargo, la austera mecánica matricial de Heisenberg no daba ninguna pista de lo que significaban las matemáticas para el mundo real: la naturaleza física de la materia, la luz y la energía. Esa laguna era intencional. Heisenberg estaba decidido a trabajar sólo a partir de lo que los experimentos habían revelado, sin suposiciones sobre la realidad subyacente que describían.

Einstein no lo puede creer

En 1926, la situación era un caos. El círculo de Copenhague (Bohr, Heisenberg y sus colegas, entre ellos el joven y descarado austriaco Wolfgang Pauli y su colaborador Max Born, antiguo tutor de Heisenberg en Gotinga) no estaba de acuerdo con colegas como Albert Einstein (que había propuesto los cuantos de luz en 1905) y el físico austriaco Erwin Schrödinger sobre cómo interpretar la nueva mecánica cuántica. La sugerencia procedente de Copenhague de que el mundo cuántico simplemente no podía visualizarse en términos de objetos que interactuaban en el tiempo y el espacio parecía a Einstein y Schrödinger renunciar a todo lo que la ciencia se esforzaba por lograr: una imagen física de la realidad.

Es más, a principios de año, Schrödinger anunció una forma de mecánica cuántica rival de la de Heisenberg, basada en la idea de que las partículas cuánticas podían describirse como ondas. Eso pareció restablecer una imagen física de lo que estaba sucediendo: las matrices eran abstractas y matemáticas, pero las ondas (incluso si eran ondas de entidades similares a partículas, como los electrones) eran aspectos familiares de la realidad. Pero Heisenberg, consternado por esta aparente competencia por una verdadera teoría cuántica, descartó la mecánica ondulatoria como «una porquería»; Schrödinger, a su vez, dijo que le «repelían» los abruptos saltos cuánticos entre estados de energía que se suponían en la mecánica matricial.

Sin embargo, pronto los partidarios de Copenhague ni siquiera se ponían de acuerdo entre ellos. Al intentar dar sentido a las ideas de Heisenberg, Bohr se encontró en desacuerdo con el joven alemán. Bohr se inclinaba a aceptar las ondas de Schrödinger y a hacer de un concepto llamado “complementariedad”, la piedra angular de la mecánica cuántica: entidades como los electrones podían comportarse como partículas u ondas, pero no al mismo tiempo ni en el mismo experimento.

A Heisenberg no le interesaban esas ideas cualitativas, sino que prefería limitarse a las matemáticas. “Nuestras conversaciones solían prolongarse hasta bien pasada la medianoche y no llegaban a una conclusión satisfactoria a pesar de los prolongados esfuerzos”, escribió más tarde. “Ambos estábamos completamente exhaustos y bastante tensos”. Sus desacuerdos casi hicieron llorar a Heisenberg.

En la primavera de 1927, Bohr se fue a esquiar a Noruega para reflexionar sobre el asunto por su cuenta. En su ausencia, Heisenberg escribió un artículo en el que intentaba explicar lo que su mecánica matricial implicaba para los objetos cuánticos. Lo que concluyó parecía extraño.

Según Heisenberg, hay algunos pares de propiedades de las partículas cuánticas que nunca podemos medir simultáneamente con la precisión que deseamos. Si medimos una de ellas con mayor precisión, la otra se vuelve necesariamente menos segura. Existe, según Heisenberg, una incertidumbre fundamental en el corazón de la naturaleza. Desde la perspectiva de la física clásica, esto parece una locura, ya que no hay nada que nos impida medir de inmediato la velocidad y la posición de un gran objeto clásico (¿cómo podrían imponerse multas por exceso de velocidad si las hubiera?).

Heisenberg presentó su artículo para su publicación mientras Bohr se encontraba en las pistas de esquí, pero al regreso de su jefe descubrió que Bohr pensaba que contenía graves fallos. Heisenberg trató de ilustrar su “principio de incertidumbre” mostrando cómo un intento de medir la posición y la velocidad de un electrón haciendo rebotar un rayo gamma sobre él inevitablemente perturbaría las mismas cosas que uno estaba tratando de medir. Pero Bohr sintió que aquí Heisenberg estaba pasando por alto el carácter ondulante del rayo gamma, como lo estaba haciendo, por supuesto, porque no le gustaba en absoluto la idea de las ondas en la mecánica cuántica.

Siguieron conversaciones más acaloradas, tras las cuales Heisenberg aceptó añadir una nota al final del artículo reconociendo la opinión de Bohr sobre la complementariedad de las ondas y las partículas. “¡Gracias a Dios!”, escribió a sus padres. “Mi amistad con Bohr es, por supuesto, más importante que la física”.

Lo que estaba en juego era algo más que si la nueva mecánica cuántica era correcta o no. Para el círculo de Copenhague (al menos en este punto coincidían Bohr y Heisenberg), la teoría cuestionaba los supuestos que habían sustentado toda la actividad científica durante los últimos siglos.

La mecánica cuántica, decían, exigía que descartáramos la vieja realidad y la reemplazáramos por algo más difuso, indistinto y perturbadoramente subjetivo. Los científicos ya no podían suponer que estaban investigando objetivamente un mundo preexistente. En cambio, parecía que las decisiones del experimentador determinaban lo que se veía, lo que, de hecho, podía considerarse real.

En otras palabras, el mundo no está ahí esperando que descubramos todos los hechos sobre él. El principio de incertidumbre de Heisenberg implica que esos hechos sólo se determinan cuando los medimos. Si decidimos medir la velocidad de un electrón (más estrictamente, su momento) con precisión, entonces esto se convierte en un hecho sobre el mundo, pero a costa de aceptar que simplemente no hay hechos sobre su posición. O viceversa.

Pero la pregunta: “¿Cuál era la posición o el momento antes de que midiéramos uno u otro?” no tiene respuesta, no porque no pudiéramos saberlo hasta que miráramos, sino porque la pregunta no tiene sentido. Parece que elegimos lo que es real. Esta idea le parecía una locura a Einstein. Heisenberg dijo que Einstein se negó a admitir que “era imposible, incluso en principio, descubrir todos los hechos parciales necesarios para la descripción completa de un proceso físico. Y por eso se negó rotundamente a aceptar el principio de incertidumbre”.

Einstein estaba exasperado. ¿Cómo podía ser que la luna sólo fuera real si él la miraba?

Un siglo después, los científicos siguen discutiendo sobre el significado de la mecánica cuántica para la naturaleza de la realidad. Han surgido interpretaciones alternativas de la mecánica cuántica que han generado sus propios debates acalorados.

Una de ellas es la teoría de la “onda piloto”, una forma de la cual fue presentada por el físico francés Louis de Broglie en la década de 1920 pero que fue desarrollada más completamente en la década de 1950 por David Bohm, y que dice que las partículas cuánticas son entidades reales con propiedades bien definidas en el tiempo y el espacio, pero que se mueven e interactúan bajo la influencia de ondas en un campo algo misterioso llamado potencial cuántico.

Tal vez la interpretación alternativa más popular es la denominada visión de los múltiples mundos, propuesta por primera vez por el físico estadounidense Hugh Everett en 1957, que sostiene que las mediciones no imponen una elección sobre cuáles de los posibles resultados permitidos por la mecánica cuántica se vuelven “reales”; más bien, todos los resultados se realizan, pero en mundos diferentes que divergen cuando se realiza la medición.

El físico Anton Zeilinger, que compartió el Premio Nobel 2022 por sus estudios experimentales sobre la naturaleza esquiva del mundo cuántico, dijo que es imposible demostrar “que cualquier partícula tenga una trayectoria realista”, en el caso de la interpretación de Broglie-Bohm. Mientras tanto, la afirmación de Everett de que “el observador coexiste en muchos estados diferentes es intrínsecamente incomprobable”.

Estas interpretaciones alternativas del comportamiento cuántico sugieren que los físicos quieren recuperar la realidad objetiva. Quieren volver a lo que los filósofos llaman realismo, donde las cosas tienen posiciones y propiedades definidas independientemente de cómo las miremos o de si las miramos. Pero hasta ahora, las investigaciones científicas del mundo cuántico no han satisfecho las exigencias de los realistas.

Bohr no deja dormir a Schrödinger

Al principio, la mecánica matricial de Heisenberg fue demasiado, incluso para algunos de sus colegas de Copenhague. Las matemáticas estaban bien, pero lo que le desconcertó fue la insistencia de Heisenberg en que no tenía sentido buscar una imagen física de lo que estaba sucediendo. Olvidemos toda la idea de las órbitas de los electrones en los átomos, dijo, es sólo una manera de hablar. Pero, objetó Pauli, ¡podemos ver a la luna siguiendo una órbita! ¿Cómo pueden ser diferentes los electrones?

Bohr, por su parte, parecía disfrutar del enigma. «Qué maravilloso que nos hayamos topado con una paradoja», dijo. «Ahora tenemos alguna esperanza de hacer progresos». Eso era propio de Bohr: aceptar una contradicción como si fuera una solución. Era casi como si, con sólo acuñar una palabra para ello –complementariedad–, Bohr afirmara haber resuelto el problema. Se podría decir que la complementariedad implica que las cosas contradictorias pueden ser ambas verdaderas, pero no al mismo tiempo. Una partícula puede ser una onda y viceversa, pero no ambas a la vez. «El opuesto de una verdad profunda puede muy bien ser otra verdad profunda », le gustaba decir a Bohr.

Bohr ha sido criticado con razón por expresar sus ideas de forma oscura, tanto por escrito como en sus conferencias. Pero eso parece deberse a que se esforzaba por expresar ideas que nuestro lenguaje cotidiano no está diseñado para captar. Cuando decimos que las partículas cuánticas ondulatorias pueden estar “en muchos lugares o estados a la vez”, o que la medición de alguna propiedad de una partícula “colapsa” toda su ondulación difusa en un único valor, o que el extraño fenómeno cuántico llamado entrelazamiento hace que una medición en una partícula influya instantáneamente en otra sin importar lo lejos que esté, en realidad no estamos hablando de cómo es la mecánica cuántica, sino que estamos construyendo imágenes de ella que se basan en nuestras propias intuiciones clásicas, exactamente lo que la física cuántica socava.

La mecánica cuántica reemplazó la vieja realidad por algo inquietantemente subjetivo.

Schrödinger pensaba que su mecánica cuántica basada en ondas ofrecía una vía de escape a la realidad indistinta y sin forma que parecía surgir de Copenhague. Claro que era extraño que las partículas cuánticas pudieran comportarse como ondas, como si estuvieran dispersas en el espacio, pero una vez que uno se sobreponía a eso, al menos las ondas parecían algo real. Pero cuando Schrödinger visitó Copenhague en el otoño de 1926 para hablar de su teoría, no esperaba del todo la acogida que tendría. Bohr dijo más tarde, con cierta insulsez, que «Schrödinger nos ofreció una explicación impresionante de su maravilloso trabajo». De hecho, fue una batalla encarnizada.

Schrödinger celebró un seminario con el equipo de Copenhague que aparentemente terminó en un caos. Según un relato, “media docena de físicos gritaban objeciones y preguntas. Bohr, olvidando su pipa, caminaba de un lado a otro por la sala. Todos estaban sermoneando a su vecino… la conmoción se prolongó durante la mayor parte de la semana”.

Aparentemente agotado por las discusiones, Schrödinger se resfrió y se fue a dormir con fiebre en la habitación de huéspedes del Instituto. Esto no le supuso ningún alivio. Bohr siguió debatiendo el asunto junto a la cama de Schrödinger hasta que su esposa, Margrethe, lo convenció de que cediera por el bien de la frágil salud de su huésped.

“Si hubiera sabido que [la teoría ondulatoria] iba a ser tomada tan en serio como para causar toda esta discusión”, dijo Schrödinger en un momento dado, “nunca la habría inventado”. Y si, por el contrario, nos viéramos obligados a aceptar los abominables saltos cuánticos que alegan Bohr, Heisenberg y sus colegas, “me arrepentiría de haberme involucrado en la teoría cuántica”.

Pero Bohr respondió asegurándole que todos los demás estaban agradecidos de que lo hubiera hecho, porque la mecánica ondulatoria de Schrödinger “representa un avance gigantesco sobre todas las formas anteriores de mecánica cuántica”. No estaba simplemente tratando de apaciguar a su invitado; para disgusto de Heisenberg, Bohr y muchos de sus colegas adoptaron el cálculo ondulatorio de Schrödinger en lugar de las matrices de Heisenberg, ya que en general era más fácil de usar. El propio Schrödinger demostró que ambas versiones de la mecánica cuántica son equivalentes, por lo que cuál usar es solo una cuestión de gustos.

En cualquier caso, la mecánica ondulatoria de Schrödinger no restableció el tipo de realidad que él y Einstein querían. Su teoría representaba todo lo que se podía decir sobre un objeto cuántico en forma de una expresión matemática llamada función de onda, a partir de la cual se pueden predecir los resultados de las mediciones realizadas en el objeto. La función de onda se parece mucho a una onda regular, como las ondas sonoras en el aire o las ondas en el agua del mar. Pero ¿una onda de qué?

En un principio, Schrödinger supuso que la amplitud de la onda (pensemos en la altura de una ola de agua) en un punto dado del espacio era una medida de la densidad de la partícula cuántica dispersa allí. Pero Born argumentó que, de hecho, esta amplitud (más precisamente, el cuadrado de la amplitud) es una medida de la probabilidad de que encontremos la partícula allí, si medimos su posición.

La implicación más desconcertante de Heisenberg

Esta llamada regla de Born llega al corazón de lo que hace que la mecánica cuántica sea tan extraña. La mecánica newtoniana clásica nos permite calcular la trayectoria de un objeto como una pelota de béisbol o la luna, de modo que podemos decir dónde estará en un momento dado. Pero la mecánica cuántica de Schrödinger no nos da nada equivalente a una trayectoria para una partícula cuántica. Más bien, nos dice la probabilidad de obtener un resultado de medición particular. Parece apuntar en la dirección opuesta de otras teorías científicas: no hacia la entidad que describe, sino hacia nuestra observación de ella. ¿Qué pasa si no realizamos ninguna medición de la partícula? ¿La función de onda todavía nos dice la probabilidad de que esté en un punto dado en un momento dado? No, no dice nada sobre eso, o más propiamente, no nos permite decir nada sobre eso . Habla solo de las probabilidades de los resultados de la medición.

Fundamentalmente, esto significa que lo que vemos depende de qué y cómo medimos. Hay situaciones en las que la mecánica cuántica predice que veremos un resultado si medimos de una manera y un resultado diferente si medimos el mismo sistema de una manera diferente. Y esto no se debe, como a veces se da a entender (ésta fue la causa de la disputa de Heisenberg con Bohr), a que hacer una medición altere el objeto de alguna manera física, de forma muy similar a como podríamos alterar muy levemente la temperatura de una solución en un tubo de ensayo al introducir un termómetro en él. Más bien, parece ser una propiedad fundamental de la naturaleza que el mero hecho de obtener información sobre ella induce un cambio.

Si, entonces, por realidad entendemos lo que podemos observar del mundo (pues ¿cómo podemos llamar real a algo si no puede verse, detectarse o incluso inferirse de alguna manera?), es difícil evitar la conclusión de que desempeñamos un papel activo en la determinación de lo que es real, una situación que el físico estadounidense John Archibald Wheeler llamó el “universo participativo”. Esta visión le parecía absurda a Einstein, quien preguntó con exasperación cómo la luna solo podía ser real si la miraba.

Einstein tenía razón en sentirse perturbado por todo esto. ¿Cómo no sentirselo si uno realmente aprecia el mensaje de Copenhague? Cuando, después de una discusión, alguien le dijo a Bohr que le daba vértigo pensar en las implicaciones, él respondió: “Pero si alguien dice que puede pensar en problemas cuánticos sin marearse, eso sólo demuestra que no ha entendido nada sobre ellos”.

La palabra “incertidumbre” de Heisenberg reflejaba esa sensación de que el terreno se movía. No era la palabra ideal: el propio Heisenberg utilizó originalmente el término alemán Ungenauigkeit , que significa algo más cercano a “inexactitud”, así como Unbestimmtheit , que podría traducirse como “indeterminación”. No era que uno no estuviera seguro de la situación de un objeto cuántico, sino que no había nada de lo que estar seguro.

El principio de incertidumbre tenía una implicación aún más desconcertante. La vaguedad de los fenómenos cuánticos, cuando un electrón en un átomo parece saltar de un estado de energía a otro en el momento que él mismo elige, parecía indicar la desaparición de la causalidad misma. En el mundo cuántico sucedían cosas, pero no era posible aducir necesariamente una razón para ello. En su artículo de 1927 sobre el principio de incertidumbre, Heisenberg desafió la idea de que las causas en la naturaleza conducen a efectos predecibles. Eso parecía socavar los cimientos mismos de la ciencia y hacía que el mundo pareciera un lugar sin ley y un tanto arbitrario.

Interpretaciones alternativas sugerían que los físicos querían recuperar la realidad objetiva.

La realidad, que en el pasado era un mundo en el que partículas bien definidas interactuaban mediante leyes precisas, de modo que en principio se podía predecir el futuro a partir de un conocimiento completo del presente, parece disolverse en una neblina de posibilidades, en la que ya no había ningún punto de vista objetivo desde el que un observador pudiera situarse. La postura que niega cualquier realidad preexistente, independientemente de nuestro conocimiento de ella, se llama antirrealismo. ¿A eso se refería entonces realmente la interpretación de Copenhague?

Algunos piensan que sí, pero no es tan obvio. Considerar la mecánica cuántica como una teoría sobre las probabilidades de los resultados de las mediciones no es lo mismo que decir que no hay nada antes de que se realice una medición. Es simplemente reconocer las limitaciones de lo que la teoría nos permite decir al respecto.

Se podría decir que, desde esta perspectiva, la teoría no habla de cómo son las cosas , sino de lo que veremos si observamos. No niega la existencia independiente de algún sustrato del mundo que dé lugar a las observaciones, sino sólo nuestro derecho a pronunciarnos sobre él. La historiadora de la ciencia Mara Beller lo expresa de otra manera: la posición de Bohr implica que no necesitamos adoptar una visión realista del mundo para utilizar la mecánica cuántica para hacer predicciones sobre lo que observaremos.

Si se interpreta correctamente (y el equipo de Copenhague no siempre fue lo suficientemente cuidadoso como para dejar esto en claro), la interpretación nos muestra los límites de lo que, si la mecánica cuántica es correcta, podemos concluir con seguridad acerca de la realidad. Esa es la austeridad que Zeilinger propugna en cualquier búsqueda de una comprensión más profunda.

El problema era que Bohr, Heisenberg y sus colaboradores tendían a dar a entender que esa búsqueda era inútil; simplemente teníamos que aceptar que así son las cosas. No es de extrañar que Einstein y otros se esforzaran tanto por restaurar alguna versión de la antigua realidad objetiva.

Una de las opiniones más provocativas de Bohr fue que existe una distinción fundamental entre el mundo cuántico difuso y probabilístico y el mundo clásico de los objetos reales en lugares reales, donde las mediciones de, digamos, un electrón con un instrumento macroscópico nos dicen que está aquí y no allí .

Lo que Bohr quiso decir es chocante. La realidad, insinuó, no consiste en objetos ubicados en el tiempo y el espacio, sino en “acontecimientos cuánticos”, que están obligados a ser autoconsistentes (en el sentido de que la mecánica cuántica puede describirlos con precisión), pero no son clásicamente consistentes entre sí. Una implicación de esto, hasta donde sabemos actualmente, es que dos observadores pueden ver resultados diferentes y contradictorios de un acontecimiento, pero ambos pueden tener razón.

Pero esta distinción rígida entre el mundo cuántico y el clásico no se puede sostener hoy en día. Los científicos pueden ahora realizar experimentos que sondean escalas de tamaño intermedias en las que se cree que se aplican las reglas cuánticas y clásicas: ni microscópicas (la escala atómica) ni macroscópicas (la escala humana), sino mesoscópicas (un tamaño intermedio). Podemos observar, por ejemplo, el comportamiento de nanopartículas que se pueden ver y manipular, pero que son lo suficientemente pequeñas como para ser regidas por reglas cuánticas. Tales experimentos confirman la idea de que no existe una frontera abrupta entre lo cuántico y lo clásico. Los efectos cuánticos todavía se pueden observar en estas escalas intermedias si nuestros dispositivos son lo suficientemente sensibles, pero esos efectos pueden ser más difíciles de discernir a medida que aumenta el número de partículas en el sistema.

Para entender estos experimentos no es necesario adoptar ninguna interpretación particular de la mecánica cuántica, sino simplemente aplicar la teoría estándar (englobada, por ejemplo, en la mecánica ondulatoria de Schrödinger) de forma más amplia que la que utilizaron Bohr y sus colegas, utilizándola para explorar lo que le sucede a un objeto cuántico cuando interactúa con su entorno. De esta manera, los físicos están empezando a entender cómo la información sale de un sistema cuántico y entra en su entorno, y cómo, al hacerlo, la imprecisión de las probabilidades cuánticas se transforma en la nitidez de la medición clásica. Gracias a este trabajo, está empezando a parecer que nuestro mundo familiar es exactamente lo que la mecánica cuántica parece cuando mides 1,80 metros de altura.

Pero incluso si logramos completar ese proyecto de unir lo cuántico con lo clásico, es posible que no sepamos de qué tipo de cosas —de qué tipo de realidad— surge todo. Tal vez algún día otra teoría más profunda nos lo diga. O tal vez el grupo de Copenhague tenía razón hace cien años al afirmar que simplemente tenemos que aceptar una realidad contingente y provisional: un mundo que sólo está a medio formar hasta que decidamos cómo será.  

Imagen principal de Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Niels Bohr por Tasnuva Elahi con imágenes de Natata, MM memo, Night_Lynx y Naci Yavuz / Shutterstock

When Reality Came Undone