Filosofía de la Mecánica Cuántica

Este elemento es una expansión del contenido de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] Podría decirse que la filosofía de la mecánica cuántica, no reconocida como tal por muchos metafísicos, es una parte de la filosofía física.

Filosofía de la Mecánica Cuántica

La dirección del tiempo y los fundamentos de la mecánica estadística

El problema de la dirección del tiempo

Existe una antigua tensión entre las teorías físicas fundamentales de los fenómenos microscópicos y la experiencia humana cotidiana respecto a la cuestión de la diferencia entre el pasado y el futuro. Esta tensión se tratará a continuación en su versión original, la newtoniana, pero persiste de forma muy parecida en los contextos de teorías físicas contemporáneas muy diferentes.

La mecánica newtoniana se caracteriza por una serie de “simetrías fundamentales”. Una simetría fundamental es una categoría de hechos sobre el mundo que, en principio, no supone ninguna diferencia dinámica. La posición y la velocidad absolutas, por ejemplo, no desempeñan ningún papel dinámico en la mecánica newtoniana. Y, sorprendentemente, tampoco la dirección del tiempo.

Consideremos una película que muestra el lanzamiento de una pelota de béisbol directamente hacia arriba: la pelota se aleja de la Tierra cada vez más lentamente hasta que se detiene por completo en el aire. Ahora imagina la misma película pasada al revés: la pelota se mueve hacia la Tierra cada vez más rápido hasta que se detiene por completo en la mano del lanzador. Aunque las películas difieren obviamente, ambas muestran una pelota de béisbol que se acelera constantemente, a razón de 32 pies por segundo por segundo, en dirección al suelo.

Se trata de un fenómeno absolutamente general.Entre las Líneas En cualquier película de un proceso físico clásico, la velocidad aparente de un cuerpo en un punto determinado cuando la película se ejecuta hacia adelante será igual y opuesta a la velocidad aparente del cuerpo en ese punto cuando la película se ejecuta en sentido inverso. Sin embargo, la aceleración aparente del cuerpo en cualquier punto cuando la película se corre hacia adelante será idéntica, tanto en magnitud como en dirección, a la aceleración aparente del cuerpo en ese punto cuando la película se corre en reversa. Obsérvese que la masa del cuerpo y las fuerzas que actúan sobre él también serán iguales en los puntos correspondientes de la película.

Una Conclusión

Por lo tanto, si el proceso que se muestra cuando la película se corre hacia adelante está de acuerdo con la mecánica newtoniana (o la ley del movimiento de Newton, F = ma), entonces el proceso que se muestra cuando la película se corre hacia atrás también estará de acuerdo con la mecánica newtoniana.

Resulta esclarecedor considerar varias formas diferentes en las que se puede formular este punto:

(1) Es una consecuencia de la mecánica newtoniana que ninguna ley de la naturaleza indica en qué sentido (hacia adelante o hacia atrás) se corre una película que representa un proceso físico.
(2) Es una consecuencia de la mecánica newtoniana que cualquier proceso físico que ocurra puede igualmente ocurrir a la inversa.
(3) Según la mecánica newtoniana, las instrucciones para calcular situaciones físicas futuras del mundo a partir de su situación física actual son idénticas a las instrucciones para calcular situaciones físicas pasadas del mundo a partir de su situación física actual.
(4) Si las leyes de la mecánica newtoniana son las únicas leyes naturales fundamentales, entonces no puede haber diferencias determinadas por la ley -no hay “asimetrías de ley”- entre el pasado y el futuro.

Sea cual sea su formulación, esta conclusión está muy en desacuerdo con la experiencia cotidiana. De manera casi uniforme, los procesos físicos naturales -como el derretimiento del hielo, el enfriamiento de la sopa caliente o la rotura del vidrio- no ocurren a la inversa. Además, la experiencia humana del mundo se caracteriza por una “asimetría de acceso epistémico” muy profunda: la capacidad de saber lo que ocurrió en el pasado, así como los métodos que uno utilizaría para averiguar lo que ocurrió en el pasado, son en general muy diferentes de la capacidad de saber, y los métodos que uno utilizaría para averiguar, lo que ocurrirá en el futuro. Por último, también existe una “asimetría de intervención”: parece posible que los seres humanos hagan que ciertos acontecimientos ocurran o no en el futuro, pero parece imposible que puedan hacer nada en absoluto sobre el pasado.

Termodinámica

En el transcurso del desarrollo de la ciencia de la termodinámica en el siglo XIX, se fue elaborando una explicación concisa, potente y general de la asimetría temporal de los procesos físicos ordinarios.

Los tipos de sistemas físicos en los que surgen asimetrías temporales evidentes son siempre macroscópicos; más concretamente, son sistemas formados por un enorme número de partículas. Dado que tales sistemas tienen aparentemente propiedades distintivas, varios investigadores emprendieron el desarrollo de una ciencia autónoma de tales sistemas. Estos investigadores se dedicaron sobre todo a mejorar el diseño de las máquinas de vapor, por lo que el sistema que les interesó de forma paradigmática, y al que todavía se recurre de forma rutinaria en las discusiones elementales de termodinámica, es una caja de gas.

Consideremos qué términos son apropiados para la descripción de algo como una caja de gas. La descripción más completa posible sería una especificación de las posiciones, velocidades y propiedades internas de todas las partículas que componen el gas y su caja. A partir de esa información, junto con la ley de movimiento newtoniana, se podrían calcular, en principio, las posiciones y velocidades de todas las partículas en todos los demás momentos y, mediante esas posiciones y velocidades, se podría representar todo lo relativo a la historia del gas y de la caja.Si, Pero: Pero los cálculos, por supuesto, serían imposiblemente engorrosos. Una forma más sencilla, más potente y más útil de hablar de estos sistemas sería utilizar nociones macroscópicas como el tamaño, la forma, la masa y el movimiento de la caja en su conjunto y la temperatura, la presión y el volumen del gas. Al fin y al cabo, es un hecho que se asemeja a una ley: si la temperatura de una caja de gas se eleva lo suficiente, la caja explotará, y si una caja de gas se aprieta continuamente desde todos los lados, será más difícil de apretar a medida que se hace más pequeña. Aunque estos hechos son deducibles de la mecánica newtoniana, es posible sistematizarlos por sí mismos, es decir, producir un conjunto de leyes termodinámicas autónomas que relacionen directamente la temperatura, la presión y el volumen de un gas sin ninguna referencia a las posiciones y velocidades de las partículas que lo componen. Los principios esenciales de esta ciencia son los siguientes.

Existe, en primer lugar, un fenómeno llamado calor. Las cosas se calientan absorbiendo calor y se enfrían cediéndolo. El calor es algo que puede transferirse de un cuerpo a otro. Cuando se coloca un cuerpo frío junto a otro caliente, el frío se calienta y el caliente se enfría, y esto es en virtud del flujo de calor del cuerpo más caliente al más frío. Los investigadores termodinámicos originales pudieron establecer, mediante la experimentación directa y la brillante argumentación teórica, que el calor debe ser una forma de energía.

Los gases pueden intercambiar energía con su entorno de dos maneras: en forma de calor (como cuando se ponen en contacto térmico gases a diferentes temperaturas) y en forma mecánica, como trabajo (como cuando un gas levanta un peso empujando un pistón).

Los investigadores originales de la termodinámica identificaron una variable, a la que llamaron entropía, que aumenta pero nunca disminuye en todos los procesos físicos ordinarios que nunca ocurren a la inversa. La entropía aumenta, por ejemplo, cuando el calor pasa espontáneamente de la sopa caliente al aire frío, cuando el humo se esparce espontáneamente en una habitación, cuando una silla que se desliza por el suelo se ralentiza a causa de la fricción, cuando el papel amarillea con el tiempo, cuando el vidrio se rompe y cuando una pila se agota. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total de un sistema aislado (la energía térmica por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil) nunca puede disminuir.

A partir de estas dos leyes, se derivó una teoría completa de las propiedades termodinámicas de los sistemas físicos macroscópicos. Sin embargo, una vez identificadas las leyes, se planteó naturalmente la cuestión de explicarlas o comprenderlas en términos de la mecánica newtoniana (se puede examinar algunos de estos asuntos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fue en el transcurso de los intentos de Maxwell, J. Willard Gibbs (1839-1903), Henri Poincaré (1854-1912) y, sobre todo, Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) de imaginar una explicación de este tipo, cuando el problema de la dirección del tiempo llamó por primera vez la atención de los físicos.

Los fundamentos de la mecánica estadística

El logro de Boltzmann fue proponer que las asimetrías temporales de la experiencia macroscópica ordinaria son el resultado no de las leyes que rigen el movimiento de las partículas (ya que la mecánica newtoniana es compatible con la existencia de procesos físicos simétricos en el tiempo), sino de la trayectoria particular que la suma total de esas partículas resulta seguir, es decir, de las “condiciones iniciales” del mundo. Según Boltzmann, las asimetrías temporales observadas en la experiencia ordinaria son una consecuencia natural de las leyes del movimiento de Newton junto con las suposiciones de que el estado inicial del universo tenía un valor de entropía muy bajo y que había una determinada distribución de probabilidad entre los diferentes conjuntos de condiciones microscópicas del universo que habría sido compatible con un estado inicial de baja entropía.

Aunque este enfoque es universalmente admirado como uno de los grandes triunfos de la física teórica, también es fuente de un gran malestar.Entre las Líneas En primer lugar, ha habido más de un siglo de tenso y no resuelto debate filosófico sobre la noción de probabilidad aplicada a las condiciones microscópicas iniciales del universo. ¿Qué puede significar decir que las condiciones iniciales tenían una determinada probabilidad? Por hipótesis, no había ningún momento “previo” con respecto al cual se pudiera decir: “La probabilidad de que las condiciones del universo en el momento siguiente sean así y así es X”. Y en el momento en que las condiciones existían, el momento inicial, la probabilidad de esas condiciones era seguramente igual a 1.Entre las Líneas En segundo lugar, parece haber algo fundamentalmente extraño e incómodo en la estrategia de explicar las familiares y ubicuas asimetrías temporales de la experiencia cotidiana en términos de las condiciones iniciales del universo. Mientras que tales asimetrías, como el calentamiento y el enfriamiento recíprocos de los cuerpos en contacto térmico entre sí, parecen ser ejemplos paradigmáticos de leyes físicas, la noción de condiciones iniciales en física suele considerarse accidental o contingente, algo que podría haber sido de otra manera.

Estas cuestiones han impulsado la investigación de una serie de enfoques alternativos, incluida la propuesta del químico belga de origen ruso Ilya Prigogine (1917-2003) de que el universo no tenía un único conjunto de condiciones iniciales, sino una multiplicidad de ellas. Sin embargo, cada uno de estos esfuerzos se ha visto acosado por sus propias dificultades conceptuales, y ninguno de ellos ha logrado una amplia aceptación.

La mecánica cuántica

El principio de superposición

Una de las propiedades intrínsecas de un electrón es su momento angular o espín.

Informaciones

Los dos componentes perpendiculares del espín de un electrón suelen denominarse “espín x” y “espín y”. Es un hecho empírico que el espín x de un electrón sólo puede tomar uno de los dos valores posibles, que para los fines actuales pueden designarse como +1 y -1; lo mismo ocurre con el espín y.

La medición de los espines x y y es una cuestión rutinaria con las tecnologías disponibles actualmente. Los tipos habituales de dispositivos de medición de los espines x e y (en adelante denominados “cajas x” y “cajas y”) funcionan alterando la dirección del movimiento del electrón medido sobre la base del valor de su componente de espín, de modo que el valor de la componente puede determinarse posteriormente mediante una simple medición de la posición del electrón. Se puede imaginar un dispositivo de este tipo como una caja larga con una sola abertura en un extremo y dos rendijas en el otro. Los electrones entran por la abertura y salen por la rendija +1 o por la rendija -1, según el valor de su espín.

También es un hecho empírico que no hay correlación entre el valor del espín x de un electrón y el valor de su espín y. Dada una gran colección de electrones cuyo espín x = +1, todos los cuales se introducen en una caja y, precisamente la mitad (estadísticamente hablando) saldrá por la rendija +1 y la otra mitad por la rendija -1; lo mismo ocurre con los electrones cuyo espín x = -1 que se introducen en una caja y y con los electrones de espín y = +1 y espín y = -1 que se introducen en cajas x.

Un hecho empírico final y extremadamente importante es que una medición del espín x de un electrón puede alterar el valor de su espín y, y viceversa, de forma totalmente incontrolable. Si, por ejemplo, se realiza una medición del espín-y en cualquier colección grande de electrones entre dos mediciones de sus espines x, lo que ocurre invariablemente es que la medición del espín-y cambia los valores del espín x de la mitad (estadísticamente hablando) de los electrones que pasan por ella y deja los valores del espín x de la otra mitad sin cambios. No se ha identificado ninguna propiedad física de los electrones individuales en tales colecciones que determine cuáles de ellos cambian sus espines x (o espines y) en el curso de la medición de sus espines y (o espines x) y cuáles no. La opinión generalizada, tanto entre los físicos como entre los filósofos, es que los electrones que cambian sus espines y los que no lo hacen es una cuestión de pura casualidad, fundamental e ineliminable. Esto es un ejemplo de lo que se conoce como el principio de incertidumbre: se dice que las propiedades físicas medibles, como el espín x y el espín y, son “incompatibles” entre sí, ya que las mediciones de uno de ellos siempre perturbarán incontroladamente al otro.

Consideremos ahora una caja Y como la descrita anteriormente, con las siguientes adiciones. Los electrones que salen de la rendija y = +1 recorren un camino hacia un espejo, que cambia su dirección pero no su espín, volviéndolos hacia una “caja negra”; asimismo, los electrones que salen de la rendija y = -1 recorren un camino distinto hacia otro espejo, que cambia su dirección pero no su espín, volviéndolos hacia la misma caja negra. Dentro de la caja, los electrones de ambos caminos vuelven a cambiar su dirección, pero no su espín, de modo que sus caminos coinciden después de atravesarla.

Supongamos que un gran número de electrones de espín x = +1 se introducen en la caja y de uno en uno, y se miden sus espines x después de que salgan de la caja negra. ¿Qué se puede esperar? Estadísticamente hablando, la mitad de los electrones que entran en la caja y resultarán tener espín-y = +1 y, por tanto, tomarán el camino y = +1, y la mitad resultarán tener espín-y = -1 y, por tanto, tomarán el camino y = -1. Consideremos el primer grupo. Dado que nada de lo que esos electrones encuentren entre la caja y y el camino que sale de la caja negra puede tener ningún efecto sobre su y-espín, todos ellos deberían salir del aparato como electrones de y-espín = +1.Entre las Líneas En consecuencia, como resultado del efecto incontrolable de la medición del espín-y sobre el espín-x, la mitad de los electrones de este grupo tendrá espín-x = +1, y la otra mitad tendrá espín-x = -1. La estadística del espín x del segundo grupo debería ser precisamente la misma.

Combinando los resultados de los dos grupos, uno debería encontrar que la mitad de los electrones que salen de la caja negra tienen x-spin = +1 y la mitad tienen x-spin = -1.Si, Pero: Pero cuando se realizan estos experimentos, lo que ocurre es que exactamente el 100% de los electrones con espín x = +1 que se introducen en el aparato salen con espín x = +1.

Supongamos ahora que el aparato se modifica para incluir una pared de bloqueo de electrones que se puede insertar en algún punto a lo largo de la trayectoria y = +1. La pared bloquea los electrones que viajan a lo largo de la trayectoria y = +1, y por lo tanto sólo los que se mueven a lo largo de la trayectoria y = -1 emergen de la caja negra.

¿Qué se espera que ocurra cuando se inserta la pared? En primer lugar, la producción total de electrones que salen de la caja negra debería disminuir a la mitad, porque la mitad está siendo bloqueada a lo largo de la trayectoria y = +1. ¿Qué pasa con las estadísticas de espín x de los electrones que pasan? Cuando la pared está fuera, el 100 por ciento de los electrones de espín x = +1 introducidos inicialmente en el aparato emergen como electrones de espín x = +1. Esto significa que todos los electrones que toman el camino y = +1 y todos los electrones que toman el camino y = -1 terminan con espín x = +1.

Una Conclusión

Por lo tanto, cuando se inserta la pared, todos los electrones de espín x = +1 introducidos inicialmente en el aparato deberían salir de la caja negra con espín x = +1.

Sin embargo, lo que ocurre cuando se realiza el experimento es que el número de electrones, como se esperaba, disminuye a la mitad, pero la mitad de los electrones que emergen tienen x-spin = +1 y la otra mitad tienen x-spin = -1. El mismo resultado se produce cuando la pared se introduce en la trayectoria y = -1.

Consideremos, por último, un solo electrón que ha atravesado el aparato cuando la pared está fuera. ¿Qué camino -y = +1 o y = -1- ha tomado? No podría haber tomado el camino y = +1, porque la probabilidad de que un electrón que tome ese camino tenga espín x = +1 (o -1) es del 50%, mientras que se sabe con certeza que este electrón salió con espín x = +1. Tampoco podría haber tomado el camino y = -1, por la misma razón. ¿Podría haber tomado ambos caminos? Cuando se detiene a los electrones a mitad del aparato para ver dónde están, resulta que la mitad de las veces están sólo en la trayectoria y = +1, y la otra mitad sólo en la trayectoria y = -1. ¿Podría el electrón no haber tomado ninguna de las dos trayectorias? Seguramente no, ya que, cuando ambos caminos están bloqueados con la pared deslizante, no pasa nada en absoluto.

Desde mediados del siglo XX, uno de los dogmas centrales de la física teórica es que estos experimentos demuestran que la propia pregunta de qué camino toma un electrón a través de un aparato de este tipo no tiene sentido. La idea es que la pregunta encarna una confusión conceptual básica, o “error de categoría”. Plantear tal pregunta sería como indagar sobre las convicciones políticas de un bocadillo de atún. Sencillamente, no hay ninguna cuestión de hecho sobre el camino que siguen los electrones a través del aparato. Así, en lugar de decir que un electrón toma un camino o ambos caminos o ninguno, los físicos dirán a veces que el electrón está en una “superposición” de tomar el camino y = +1 y el camino y = -1.

El problema de la medición

El campo de la mecánica cuántica ha demostrado tener un éxito extraordinario a la hora de predecir todos los comportamientos observados de los electrones en las circunstancias experimentales que acabamos de describir. De hecho, ha demostrado tener un éxito extraordinario a la hora de predecir todos los comportamientos observados de todos los sistemas físicos en todas las circunstancias. Desde su desarrollo a finales de los años 20 y principios de los 30, ha servido de marco en el que se desarrolla prácticamente toda la física teórica.

El objeto matemático con el que la mecánica cuántica representa los estados de los sistemas físicos se llama función de onda. Una regla cardinal de la mecánica cuántica es que tales representaciones son completas: absolutamente todo lo que hay que decir sobre cualquier sistema físico en un momento dado está contenido en su función de onda.

En el caso extremadamente simple del sistema de una sola partícula considerado anteriormente, la función de onda de la partícula toma la forma de una función directa de posición (entre otras cosas). La función de onda de una partícula que se encuentra en alguna región A, por ejemplo, tiene un valor no nulo en A y el valor cero en todo el espacio excepto en A. Del mismo modo, la función de onda de una partícula que se encuentra en alguna región B tiene un valor no nulo en B y el valor cero en todo el espacio excepto en B. La función de onda de una partícula que se encuentra en una superposición de estar en la región A y en la región B -por ejemplo, un electrón de espín x = +1 que acaba de pasar por una caja y- tiene valores no nulos en A y B y el valor cero en todo el resto.

Tal y como se formulan en la mecánica cuántica, las leyes de la física se ocupan únicamente de cómo evolucionan las funciones de onda de los sistemas físicos a lo largo del tiempo. Sin embargo, una peculiaridad extraordinaria de las versiones estándar de la mecánica cuántica es que existen dos categorías muy diferentes de leyes físicas: una que se aplica cuando el sistema físico en cuestión no está siendo observado directamente y otra que se aplica cuando sí lo está.

Las leyes de la primera categoría suelen adoptar la forma de ecuaciones diferenciales lineales de movimiento. Están diseñadas para implicar, por ejemplo, que un electrón con espín x = +1 que se introduce en una caja y saldrá de esa caja, tal y como lo hace en realidad, en una superposición de estar en la trayectoria de espín y = +1 y estar en la trayectoria de espín y = -1. Toda la evidencia experimental disponible actualmente sugiere que estas leyes gobiernan las evoluciones de las funciones de onda de todos los sistemas físicos microscópicos aislados, en todas las circunstancias.

Sin embargo, hay buenas razones para dudar de que estas leyes constituyan las verdaderas ecuaciones de movimiento de todo el universo físico.Entre las Líneas En primer lugar, son completamente deterministas, mientras que parece haber un elemento inevitable de azar (como se ha comentado anteriormente) en el resultado de una medición de la posición de una partícula que está en superposición con respecto a dos regiones.Entre las Líneas En segundo lugar, lo que predicen las ecuaciones diferenciales lineales del movimiento con respecto al proceso de medición de la posición de dicha partícula es que el propio dispositivo de medición, con certeza, estará en una superposición de indicar que la partícula está en la región A e indicar que está en la región B.Entre las Líneas En otras palabras, las ecuaciones predicen que no habrá ninguna cuestión de hecho con respecto a si el dispositivo de medición indica la región A o la región B.

Este análisis puede ampliarse para incluir a un observador humano cuyo papel es mirar el dispositivo de medición para comprobar cómo sale la medición. Lo que resulta es que el propio observador estará en una superposición de creer que el aparato indica la región A y de creer que el aparato indica la región B. Equivalentemente, el observador estará en un estado físico (o estado cerebral) tal que no hay ninguna cuestión de hecho sobre qué región cree que indica el aparato. Obviamente, esto no es lo que ocurre en los casos reales de medición por parte de observadores humanos.

Entonces, ¿cómo se puede explicar que los estados de superposición nunca se observen realmente? Según la interpretación estándar de la mecánica cuántica, cuando se observa un sistema físico, se aplica exclusivamente una segunda categoría de leyes explícitamente probabilísticas. Estas leyes no determinan una posición precisa para una partícula dada, sino que sólo determinan una probabilidad de que tenga una posición u otra. Así, las leyes aplicadas a una partícula en una superposición de regiones A y B predecirían no que “la partícula existe en A y la partícula existe en B”, sino que “hay un 50 por ciento de posibilidades de encontrar la partícula en A y hay un 50 por ciento de posibilidades de encontrar la partícula en B”. Es decir, hay un 50 por ciento de posibilidades de que la medición altere la función de onda de la partícula a una cuyo valor es cero en todas partes excepto en A y un 50 por ciento de posibilidades de que altere la función de onda de la partícula a una cuyo valor es cero en todas partes excepto en B.

En cuanto a la distinción entre las circunstancias en las que se aplica cada categoría de leyes, la interpretación estándar es sorprendentemente vaga. La diferencia, se ha dicho, es la que existe entre la “medición” y los “procesos físicos ordinarios” o entre lo que hace la observación y lo que se observa o entre lo que se encuentra (por así decirlo) delante de los dispositivos de medición y lo que se encuentra detrás de ellos o entre “sujeto” y “objeto”. Muchos físicos y filósofos consideran profundamente insatisfactorio que la mejor formulación de las leyes más fundamentales de la naturaleza dependa de distinciones tan imprecisas y esquivas como éstas.

Suponiendo que se rechace la existencia de dos categorías mal definidas de leyes físicas fundamentales, queda el problema de explicar la ausencia de estados de superposición en las mediciones de los fenómenos de la mecánica cuántica. Desde la década de 1970, este llamado “problema de la medición” se ha ido convirtiendo en el reto más importante de la mecánica cuántica.

Intentos de resolver el problema de la medición

Se han propuesto dos soluciones influyentes al problema de la medición. La primera, debida al físico británico de origen estadounidense David Bohm (1917-92), afirma que la evolución de las funciones de onda de los sistemas físicos se rige por leyes en forma de ecuaciones diferenciales lineales de movimiento, pero niega que las funciones de onda representen todo lo que hay que decir sobre los sistemas físicos. Hay una variable extra u “oculta” que puede considerarse que “marca” una de las posiciones superpuestas como el resultado real de la medición. La segunda, debida a G.C. Ghirardi, A. Rimini y T. Weber, afirma que las funciones de onda son representaciones completas de los sistemas físicos, pero niega que estén siempre gobernadas por leyes en forma de ecuaciones diferenciales lineales de movimiento.

La teoría de Bohm

El planteamiento de Bohm estipula que una partícula física es el tipo de cosa que siempre se encuentra en un lugar determinado o en otro. Además, las funciones de onda no son meros objetos matemáticos, sino físicos, cosas físicas. Al igual que los campos de fuerza (campos eléctricos o campos magnéticos) en la mecánica clásica, sirven para empujar las partículas o para guiarlas a lo largo de su trayectoria. Las leyes que rigen las evoluciones de las funciones de onda son las ecuaciones diferenciales lineales estándar del movimiento y, por tanto, son deterministas; las leyes que determinan cómo las funciones de onda empujan a sus respectivas partículas, que son exclusivas de la teoría de Bohm, también son totalmente deterministas.

Así, las posiciones de todas las partículas del mundo en cualquier momento, y la función de onda mecánica cuántica completa del mundo en ese momento, pueden en principio calcularse con certeza a partir de las posiciones de todas las partículas del mundo y la función de onda mecánica cuántica completa del mundo en cualquier momento anterior. Cualquier incertidumbre en los resultados de esos cálculos es necesariamente una incertidumbre epistémica, una cuestión de ignorancia acerca de cómo son las cosas, y no una incertidumbre creada por un elemento irreductible de azar en las leyes fundamentales del mundo. Sin embargo, existe necesariamente, o por principio, cierta incertidumbre epistémica, ya que está implicada por las leyes de la evolución en la teoría de Bohm.

Supongamos que se introduce en el aparato un solo electrón con espín x = +1. Según la teoría de Bohm, el electrón tomará la trayectoria y = +1 o la trayectoria y = -1. El camino que tome estará totalmente determinado por su función de onda inicial y su posición inicial (aunque ciertos detalles de esas condiciones serán imposibles de determinar, en principio, mediante mediciones). Sin embargo, independientemente del camino que tome el electrón, su función de onda, de acuerdo con las ecuaciones diferenciales lineales del movimiento, se dividirá y tomará ambos caminos.Entre las Líneas En el caso de que el electrón tome el camino y = +1, se reunirá en la caja negra con la parte de su función de onda que tomó el camino y = -1.

Una de las consecuencias de las leyes de la teoría de Bohm es que, en un momento dado, sólo la parte de la función de onda de una partícula dada que está ocupada por la propia partícula en ese momento puede tener algún efecto sobre los movimientos de otras partículas.

Una Conclusión

Por lo tanto, cualquier intento de detectar la parte “vacía” de una función de onda que pasa por uno de los dos caminos fracasará, ya que el propio dispositivo de detección está formado por partículas. Esto explica la ausencia de superposición en las mediciones reales de los electrones que salen de la caja Y.

La teoría de Bohm explica todos los comportamientos paradójicos de los electrones que se introducen en el aparato sin tener que apelar a categorías mutuamente indistintas de leyes fundamentales, como hace la versión estándar de la mecánica cuántica. A pesar de que las ecuaciones diferenciales lineales del movimiento son las verdaderas ecuaciones de la evolución temporal de la función de onda de todo el universo, existen cuestiones de hecho definitivas sobre las posiciones de las partículas y (en consecuencia) sobre las indicaciones realizadas por los aparatos de medición.

La teoría de Ghirardi, Rimini y Weber

La segunda solución propuesta al problema de la medición, como se ha señalado anteriormente, afirma que las funciones de onda son representaciones completas de los sistemas físicos, pero niega que estén siempre gobernadas por las ecuaciones diferenciales lineales del movimiento. La estrategia detrás de este enfoque es alterar las ecuaciones de movimiento para garantizar que no surja el tipo de superposición que figura en el problema de la medición. La teoría más desarrollada en este sentido fue presentada en la década de 1980 por Ghirardi, Rimini y Weber, por lo que a veces se denomina “GRW”; posteriormente fue desarrollada por Philip Pearle y John Stewart Bell (1928-90).

Según la GRW, la función de onda de cualquier partícula individual evoluciona casi siempre de acuerdo con las ecuaciones lineales deterministas del movimiento, pero de vez en cuando -aproximadamente una vez cada 109 años- la función de onda de la partícula se multiplica aleatoriamente por una estrecha curva en forma de campana cuya anchura es comparable al diámetro de un solo átomo de uno de los elementos más ligeros. Esto tiene el efecto de “localizar” la función de onda, es decir, de poner su valor a cero en todo el espacio excepto en una pequeña región. La probabilidad de que la curva de campana esté centrada en un punto concreto x depende (según una regla matemática precisa) de la función de onda de la partícula en el momento justo anterior a la multiplicación. Después, hasta el siguiente salto de este tipo, todo procede como antes, de acuerdo con las ecuaciones diferenciales deterministas.

Esta es toda la teoría. No se intenta explicar la aparición de estos saltos. El hecho de que estos saltos se produzcan, y que se produzcan precisamente de la manera descrita anteriormente, puede considerarse como una nueva ley fundamental: una ley del llamado “colapso” de la función de onda.

Para los sistemas microscópicos aislados -los que constan de un pequeño número de partículas- los saltos serán tan raros que serán completamente inobservables.Entre las Líneas En cambio, en los sistemas macroscópicos -que contienen un número astronómico de partículas- los efectos de los saltos en las evoluciones de las funciones de onda pueden ser dramáticos. De hecho, se puede argumentar razonablemente bien que los saltos convertirán casi instantáneamente superposiciones de estados macroscópicamente diferentes, como partícula encontrada en A + partícula encontrada en B, en partícula encontrada en A o en partícula encontrada en B.

Una tercera tradición de intentos de resolver el problema de la medición se originó en una propuesta del físico estadounidense Hugh Everett (1930-82) en 1957. Según la llamada hipótesis de los “muchos mundos”, la medición de una partícula que se encuentra en una superposición de estar en la región A y estar en la región B tiene como resultado la “ramificación” instantánea del universo en dos universos distintos, que no interactúan, en uno de los cuales se observa que la partícula está en la región A y en el otro se observa que está en la región B; por lo demás, los universos son idénticos entre sí. Aunque estas teorías han generado un gran interés en los últimos años, sigue sin estar claro si son coherentes con el carácter probabilístico de las descripciones mecánicas cuánticas de los sistemas físicos.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Una de las consecuencias importantes de los intentos de resolver el problema de la medición para la filosofía de la ciencia en general tiene que ver con el problema general de la infradeterminación de la teoría por la evidencia. Aunque las diversas propuestas de no colapso, incluida la de Bohm, difieren entre sí en cuestiones tan profundas como si las leyes fundamentales de la física son deterministas, puede demostrarse que no difieren en formas que puedan ser detectadas experimentalmente, incluso en principio.

Una Conclusión

Por lo tanto, es una cuestión real si las teorías de no colapso difieren entre sí de alguna manera significativa.

La no localidad

En un famoso artículo publicado en 1935, Einstein, Boris Podolsky (1896-1966) y Nathan Rosen (1909-95) argumentaron que, si las predicciones de la mecánica cuántica sobre los resultados de los experimentos son correctas, entonces la descripción mecánica cuántica del mundo es necesariamente incompleta.

Una descripción del mundo es “completa”, según los autores (EPR), sólo en el caso de que no deje fuera nada que sea cierto sobre el mundo, nada que sea un “elemento de la realidad” del mundo. Esto implica que no se puede determinar si una determinada descripción del mundo es completa sin averiguar primero cuáles son todos los elementos de la realidad del mundo. Aunque la EPR no ofrece ningún método para hacerlo, sí proporciona un criterio para determinar si una propiedad medible de un sistema físico en un momento determinado es un elemento de la realidad del sistema en ese momento:

Si, sin perturbar en absoluto un sistema, podemos predecir con certeza (es decir, con probabilidad igual a la unidad) el valor de una cantidad física, entonces existe un elemento de la realidad correspondiente a esa cantidad física.

Esta condición ha llegado a conocerse como el “criterio de realidad”.

Supongamos que alguien se propone medir una determinada propiedad observable P de un determinado sistema físico S en un determinado momento futuro T. Supongamos además que existe un método por el que se podría determinar con certeza, antes de T, cuál sería el resultado de la medición, sin causar ninguna perturbación física en S. Entonces, según EPR, debe haber ahora algún hecho sobre S -algún elemento de la realidad sobre S- en virtud del cual la futura medición saldrá así.

El argumento de EPR se refiere a un cierto estado físicamente posible de un par de electrones que, desde entonces, se conoce en la literatura como estado “singlete” o estado “EPR”. Cuando un par de electrones se encuentra en un estado EPR, la versión estándar de la mecánica cuántica implica que el valor del espín x de cada electrón será igual y opuesto al valor del espín x del otro, y lo mismo para los valores de los espines y de los dos electrones.

Supongamos que no existe la acción a distancia: nada de lo que ocurre en un lugar puede provocar que ocurra algo en otro lugar sin mediación, sin que se produzca una serie de acontecimientos en puntos contiguos entre el primer lugar y el segundo. (Así, el accionamiento de un interruptor en una habitación puede hacer que se enciendan las luces en otra, pero no sin la ocurrencia de una serie de eventos consistentes en la propagación de una corriente eléctrica a través de un cable). Si esta suposición de “localidad” es cierta, entonces debe ser posible diseñar una situación en la que el par de electrones en el estado ERP no pueda interactuar entre sí y en la que, por lo tanto, cualquier medición de un electrón no cause ninguna perturbación al otro. Por ejemplo, los electrones podrían estar separados por una gran distancia, o se podría insertar una pared impenetrable entre ellos.

Supongamos entonces que un par de electrones en estado EPR, e1 y e2, se colocan a una distancia inmensa el uno del otro. Como los electrones están en estado EPR, el espín x de e1 será siempre igual y opuesto al espín x de e2, y el espín y de e1 será siempre igual y opuesto al espín y de e2. Entonces, debe haber un medio para determinar con certeza el valor del giro x de e2 en algún momento futuro T sin causar una perturbación a e2, es decir, midiendo el giro x de e1 en T. Del mismo modo, debe ser posible determinar con certeza el valor del giro y de e2 en T, sin causar una perturbación a e2, midiendo el giro y de e1 en T.

Una Conclusión

Por lo tanto, según el criterio de realidad anterior, existe un “elemento de realidad” correspondiente al giro x y al giro y de e2 en T; es decir, existe una cuestión de hecho sobre cuáles son los valores del giro x y del giro y de e2. Pero, como ya se ha dicho, la versión estándar de la mecánica cuántica se caracteriza por la imposibilidad de determinar los valores simultáneos del espín x y del espín y de un solo electrón, porque la medición de uno de ellos siempre perturba incontroladamente al otro (véase más arriba El principio de superposición).

Una Conclusión

Por lo tanto, la versión estándar de la mecánica cuántica es incompleta. Se pueden construir argumentos paralelos utilizando otros pares de propiedades observables distintas pero mutuamente incompatibles de los electrones, de los que hay literalmente un número infinito.

Si la existencia de un estado EPR implica una infinidad de propiedades observables distintas y mutuamente incompatibles de los electrones del par, entonces la afirmación de que se obtiene el estado EPR -porque el estado EPR no especifica un valor para ninguna de esas propiedades- constituye necesariamente una descripción muy incompleta del estado del par de electrones. La afirmación es compatible con una infinidad de estados “verdaderos” diferentes de dicho par, en cada uno de los cuales las propiedades observables asumen una combinación distinta de valores.

Sin embargo, la información que obtiene el estado EPR debe ciertamente restringir el verdadero estado de un par de electrones de varias maneras, ya que los resultados de las mediciones de espín en tales pares de electrones están determinados por cuáles son sus verdaderos estados. Consideremos qué tipo de restricciones surgen.Entre las Líneas En primer lugar, si se cumple el estado EPR, el resultado de una medición de cualquiera de las propiedades observables de e1 antes mencionadas será necesariamente igual y opuesto al resultado de cualquier medición de la misma propiedad observable de e2.Entre las Líneas En otras palabras, siempre que se obtenga el estado EPR, el verdadero estado del par de electrones en cuestión está limitado, con certeza, a ser uno en el que el valor de cada propiedad observable de e1 es igual y opuesto al valor de la misma propiedad observable de e2.

También hay restricciones de tipo estadístico. Hay, en particular, tres propiedades observables de estos electrones -una de ellas es el espín x, y las otras pueden llamarse espín k y espín l- que son tales que, si se mide cualquiera de ellas en e1 y cualquier otra en e2, los valores serán opuestos una cuarta parte de las veces e iguales tres cuartas partes de las veces.

En este punto se puede plantear una pregunta bien definida sobre si estas dos restricciones -la restricción determinista sobre los valores de propiedades observables idénticas y la restricción estadística sobre los valores de propiedades observables diferentes- son matemáticamente consistentes entre sí.Entre las Líneas En 1964, 29 años después de la publicación del argumento EPR, el físico británico John Bell demostró que la respuesta a esta pregunta es “no”.

Por tanto, el estado EPR implica una contradicción matemática. La conclusión del argumento EPR, por tanto, es lógicamente imposible. De ello se deduce que una de las dos suposiciones de las que depende el argumento EPR -que la localidad es cierta (no hay acción a distancia) y que las predicciones de la mecánica cuántica sobre las mediciones de espín en los estados EPR son correctas- debe ser falsa. Dado que ahora se sabe experimentalmente que las predicciones de la mecánica cuántica sobre las mediciones de espín son ciertas, debe haber una auténtica no localidad en el funcionamiento del universo. La conclusión de Bell, ahora conocida como desigualdad de Bell o teorema de Bell, equivale a una prueba de que la no localidad es una característica necesaria de la mecánica cuántica, a menos que, lo que parece poco probable en este momento, una de las interpretaciones de “muchos mundos” de la mecánica cuántica resulte ser correcta (véase en esta plataforma digital la teoría de Ghirardi, Rimini y Weber).

Datos verificados por: Brite
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Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Física: Philosophy of Physics.

Véase También

Principio antrópico
Flecha del tiempo
Causalidad (física)
Cierre causal
Teoría del constructor
Determinismo
Filosofía digital
Física digital
Dualismo mente-cuerpo
Campo (física)
Descomposición funcional
Interacción fundamental
Holismo
Instrumentalismo
Leyes de la termodinámica
Macroscópico
Escala mesoscópica
Realismo modal
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Filosofía de la Termodinámica y mecánica estadística
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Teoría relacional
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Simetría en física
Teofísica
El tiempo en la física
Filosofía de la ciencia (para un examen del concepto, véase que es la ciencia y que es una ciencia física), Filosofía de la ciencia por disciplina

Bibliografía

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