¿Mecánica cuántica o física clásica?

John Stewart Bell

The same post in English

El debate sobre si la física de partículas debe apoyarse en la mecánica cuántica (con consecuencias extrañas, como la superposición de estados y el colapso cuántico) o en alguna teoría aún desconocida del tipo de la física clásica que elimine la necesidad de esos fenómenos, viene durando desde que Bohr y Einstein comenzaron a debatir sobre esto hace casi un siglo.

La cuestión parecía haberse decidido cuando John Steward Bell formuló en 1964 la famosa desigualdad de Bell, a la que dediqué otro artículo. Pero hay quien continúa planteando la cuestión, de modo que se siguen buscando otros medios para distinguir entre ambos tipos de teorías. Uno de esos medios es la desigualdad de Leggett-Garg (LGI por las siglas en inglés), a la que voy a dedicar este artículo, que se basa en una publicación de Physics World del 12 de agosto de 2024.

Velocidades hiperlumínicas en la vida real

Radiación de Cherenkov

The same post in English

Sabemos que la teoría especial de la relatividad establece que la velocidad que puede alcanzar un cuerpo con masa en reposo mayor que cero siempre tiene que ser menor que la velocidad de la luz en el vacío, o sea, unos 300.000 km/segundo. Sin embargo, a veces se aducen algunos ejemplos que parecen indicar, a primera vista, que ese límite no se cumple, que puede transgredirse. Veámoslos:

¿Son calvos los agujeros negros?

The same post in English 

Los agujeros negros son unos objetos muy raros. Son acumulaciones de materia enormemente compacta, que ejerce una gravedad tan grande, que a menos de cierta distancia (el horizonte de sucesos) nada puede escapar de su atracción, ni siquiera la luz. De ahí su nombre.

La existencia de los agujeros negros había sido predicha en el siglo XVIII por el geólogo inglés John Michell y por el astrónomo francés Laplace. Por entonces nadie hizo demasiado caso, pero a partir de 1915, cuando Einstein formuló la teoría de la Relatividad General, el interés por estos objetos misteriosos creció. Pronto se llegó a la conclusión de que, cuando una estrella de gran masa agotara la posibilidad de producir reacciones nucleares de fusión, ninguna fuerza de la naturaleza sería capaz de vencer la atracción de la gravedad de la materia resultante, por lo que se produciría un agujero negro. Pero durante mucho tiempo se dudó de su existencia real, porque la teoría parecía predecir que la materia situada en el interior de un agujero negro ocuparía un volumen nulo y por tanto tendría una densidad infinita. Como los físicos suelen sospechar que el infinito es un concepto matemático que no se puede alcanzar en la vida real, sólo se veían dos posibilidades: o bien los agujeros negros no existen, o bien habría que modificar la teoría de Einstein para que no alcancen una densidad infinita.

Compatible, incompatible, posible e imposible

The same post in English

Voy a comentar y tratar de aclarar los cuatro conceptos del título, que a veces se confunden cuando se habla de las teorías físicas y de su aplicación:

• Un suceso (real o imaginado) puede ser compatible con una teoría. Lo que eso significa es que, si ese suceso fuese real, no plantearía ningún problema para la teoría, que admite en principio la posibilidad de que dicho suceso tenga lugar.

Universo singular

The same post in English

Javier Sánchez Cañizares es uno de los colaboradores del libro de las Preguntas sobre ciencia y fe, publicado en 2014 y reeditado este año. En 2020, Javier ha publicado el libro con el mismo título que este artículo, que puede clasificarse como filosofía de la ciencia divulgativa de alto nivel. El objetivo del libro es mostrar que el reduccionismo materialista no tiene ninguna posibilidad de proporcionar una explicación correcta y completa, ya que nuestro universo es singular por varias razones diferentes:

La debacle del determinismo

Isaac Newton

The same post in English

A finales del siglo XVIII, la teoría de la gravitación universal de Isaac Newton estaba ya muy bien establecida. Como esta teoría permite predecir con gran exactitud las órbitas de los astros que forman parte del sistema solar, el astrónomo francés Pierre Simon de Laplace creyó tener razones suficientes para afirmar lo siguiente:

Una inteligencia que conociera todas las fuerzas que animan la naturaleza, así como la situación respectiva de los seres que la componen… podría abarcar en una sola fórmula los movimientos de los cuerpos más grandes del universo y los del átomo más ligero; nada le resultaría incierto y tanto el futuro como el pasado estarían presentes ante sus ojos.

Esta afirmación se convirtió en el dogma del materialismo determinista, una doctrina filosófica (no científica) que sostiene que lo único que existe es la materia (tomando el término en sentido amplio) y que toda la historia del universo está determinada: no existe, por tanto, la libertad humana, ni puede haber intencionalidad, ni hay causas finales en la naturaleza, sólo hay causas eficientes.

La afirmación de Laplace puede expresarse con otras palabras, en términos más modernos:

Si conociéramos la posición y el momento de todas las partículas del universo en un instante determinado, podríamos predecir todo su desarrollo pasado y futuro.

La desigualdad de Bell y la causalidad

Niels Bohr

The same post in English

Hace unos noventa años tomó forma la Mecánica Cuántica. Durante los años veinte, Niels Bohr y Werner Heisenberg formularon la interpretación de Copenhague de esa teoría, que añadía a su formulación matemática algunas consideraciones adicionales como las siguientes:

• Los sistemas físicos con propiedades que pueden tomar valores concretos y opuestos (como dirección de polarización o spin) pueden encontrarse en determinadas circunstancias en un estado en el que esas propiedades no toman un valor definido, sino que mantienen abiertas todas las posibilidades simultáneamente. Por ejemplo, la dirección de polarización de un fotón puede ser simultáneamente norte-sur y este-oeste. El spin de una partícula puede ser simultáneamente hacia arriba y hacia abajo.
• El acto de medir una de esas propiedades provoca el colapso de la función de onda, lo que quiere decir que el resultado de la medida sólo puede ser uno de los valores posibles. La función de onda nos da la probabilidad de obtener un valor u otro.
• Es posible construir un sistema físico formado por dos o más partículas entrelazadas con respecto a alguna propiedad, lo que quiere decir que si una de las partículas colapsa con un valor determinado, la otra partícula no tiene más remedio que colapsar con el otro.

La teoría del todo

The same post in English

En la novela de ciencia-ficción de Joe Dacy, Esquelle and the lost enclave (2015), del género de hard science fiction (ciencia-ficción difícil), que combina hábilmente con los géneros de espionaje, aventura y política-ficción, abarca 1500 años de la historia futura de la humanidad e incluye viajes en el tiempo y manipulación del pasado, se dice lo siguiente:

En este momento, la Teoría del Todo es en realidad la Teoría de la Poca Cosa.

¿Tiene razón Joe Dacy? ¿Creemos que sabemos mucho, pero sabemos muy poco? ¿Qué es esa Teoría del Todo, que tiene un nombre tan rimbombante?

Se trata de un nombre inventado por algunos físicos y jaleado por la prensa, en la misma línea que el nombre de la partícula de Dios, aplicada al bosón de Higgs, que posiblemente se descubrió en 2012, y digo posiblemente porque, aunque la partícula descubierta tenía la masa prevista y se descompuso en algunas de las partículas previstas (no todas), aún no se ha demostrado que el campo de Higgs exista.

Lo que se quiere dar a entender con el nombre de Teoría del Todo es que ya lo sabemos todo sobre los fundamentos físicos de la materia, que no necesitamos a Dios.

El misterio de las muchas variables

Teoría estándar de
física de partículas

The same post in English

En la actualidad están en vigor dos grandes teorías físicas:

·         Por un lado la mecánica cuántica, que se aplica primordialmente a los objetos muy pequeños (aquellos a los que la gravedad apenas afecta), y es la herramienta básica de la teoría estándar de física de partículas.

·         Por otro, la relatividad general, que se aplica a los objetos muy grandes (desde los planetas hasta el universo entero, para los que la gravedad es casi lo único que importa), y es la herramienta fundamental de la teoría cosmológica estándar (la del Big Bang).

Lamentablemente, las dos teorías no son compatibles entre sí, por lo que la física está muy lejos de haber resuelto todos sus problemas pendientes. Por otra parte, esas dos teorías dependen de muchas variables independientes: unas cuarenta, entre las dos. Muchos físicos piensan que cuarenta variables independientes son demasiadas. Significa que el espacio de configuración de la naturaleza tiene unas cuarenta dimensiones. Si no somos capaces de imaginar un espacio de cuatro dimensiones, ¡cómo será con cuarenta!