Diálogo sobre la Mecánica Cuántica

Un diálogo exclusivo entre el Dr. Gustavo Esteban Romero y el Dr. Santiago Esteban Perez-Bergliaffa en donde abordan los siguientes temas: el desarrollo de la Mecánica Cuántica, el referente de la Mecánica Cuántica, la interpretación de Copenhague, la Teoría Cuántica de de Broglie-Bohm, la interpretación literal de Mario Bunge, la interpretación del Multiverso, la paradoja EPR, la Teoría Cuántica de Campos y sobre sus trabajos de investigación en la actualidad.

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Introducción

La Mecánica Cuántica es la teoría fundamental de la física que describe las propiedades y el comportamiento de los elementos ontológicos primarios de la naturaleza.

Desde su formulación ha sido objeto de innumerables controversias, en parte, debido a la variedad de interpretaciones propuestas y a su ambigüedad intrínseca, ya que sus referentes no están definidos.

A través del diálogo, el Dr. Gustavo Esteban Romero y el Dr. Santiago Esteban Perez-Bergliaffa, dos destacados físicos con profundas inclinaciones filosóficas analizarán los fenómenos cuánticos, las interpretaciones de mayor consenso y el estado actual de la teoría.


Transcripción de la entrevista

1 - El desarrollo de la Mecánica Cuántica

Gustavo Esteban Romero: Si yo tuviera que definir que es la Mecánica Cuántica, lo que diría es que es la teoría fundamental sobre la materia a bajas energías. Es una teoría que se origina de ciertas falencias de la física clásica tal como se la conocía en el siglo XIX, en particular ciertos problemas con la mecánica estadística desarrollada por Boltzmann y ciertos problemas con la electrodinámica de Maxwell. La característica fundamental de la física cuántica acaso sea que ciertas propiedades de sistemas físicos, microscópicos son propiedades que son discretas. Propiedades que se presentan con valores discretos y no valores continuos como sucede en la mecánica clásica y en la física clásica en general. Existe la idea de que la Mecánica Cuántica trata solamente sobre sistemas microscópicos bueno es una sobresimplificación ya que hay diversos sistemas macrofísicos que, como vos sabes, se describen también en términos cuánticos, desde superfluidos o superconductores, láseres, incluso estrellas. Hay estrellas como las estrellas de neutrones o acaso existan otros tipos de estrellas más complejas Condensado de Bosones o estrellas de Quarks y Gluones, que también deben ser descriptas en términos de la Mecánica Cuántica. Si vos tuvieras que dar algunas características básicas de la Mecánica Cuántica ¿qué destacarías?

Santiago Perez-Bergliaffa: Yo creo que lo fundamental sería precisamente el hecho de que existen cantidades que no son más continuas y también diría que una de las propiedades fundamentales de la Mecánica Cuántica es toda la dificultad tal vez que ha suscitado en la interpretación del formalismo y eso es llevado a discusiones que hasta el día de hoy subsisten y que en parte algunos puntos se han ido clarificando con el tiempo y otros todavía resultan un poco oscuros por diversos motivos que espero que algunos de ellos queden claros a lo largo de nuestra conversación.

GER: Ojalá. Eso creo que es un punto muy cierto a diferencia de otras teorías de la física, en particular de la física clásica, la Mecánica Cuántica tiene un serio problema de interpretación, no está claro a pesar de que es una teoría enormemente exitosa desde el punto de vista predictivo ¿qué es exactamente lo que significa la teoría?, ¿cuáles son los términos de la teoría que designan cuestiones objetivas del mundo?, ¿cuáles otros son medias convenciones? Hay fuertes discusiones y fuertes problemas en los fundamentos de la Mecánica Cuántica que quizás en cierta forma también son los que han dificultado que en la segunda mitad del siglo XX se haya podido seguir avanzando con la misma velocidad que en los primeros 30 ó 40 años de ese siglo cuando se desarrolló esta teoría. ¿Cuales dirías vos que fueron los hitos más importantes históricamente en desarrollo de la Mecánica Cuántica?

SPB: Yo particularmente me restringiría a un evento que tal vez sea una especie de Torre de Babel para lo que aconteció con la Mecánica Cuántica que fue el congreso Solvay de 1927. En ese congreso se presentaron lo que hoy se podría llamar tal vez como tres interpretaciones de la Mecánica Cuántica, la de Schrödinger, la de de Broglie y la de Bohr y Heisenberg. Básicamente la de la Schrödinger tenía que ver con la interpretación de la física cuántica o mejor de las partículas como paquetes de onda y la ecuación de onda de Schrödinger asociada. La de de Broglie tenía que ver con la idea de onda piloto, en la cual la función de onda cumplía el papel de guiar el movimiento de la partícula, y la de Bohr y Heisenberg que no tenía que ver con ninguna de las otras dos, o sea las otras dos tenían aspectos clásicos todavía, sea de ondas o sea de partículas, la de Bohr y Heisenberg intentaba deshacerse de esos aspectos clásicos. Y por motivos que tal vez tengan que ver con sociología de la ciencia pero finalmente la interpretación que hoy se conoce como de Copenhague fue la que se impuso. Y existe de hecho una imprecisión en muchos libros de historia de la Mecánica Cuántica con relación al congreso Solvay; hace poco, recién en el 2006 los proceedings estaban en francés y recién en el 2006 fueron traducidos, y allí se ve por ejemplo que la propuesta de de Broglie fue ampliamente discutida, y no se llegó a ningún consenso sobre si tenía posibilidades de funcionar o no, en cuanto a que los libros por ejemplo el de Max Jammer el único comentario que hay en relación a la propuesta de de Broglie durante el congreso de Solvay fue una pregunta de Pauli que supuestamente de Broglie no supo responder en el momento. Entonces esa propuesta en particular de Broglie quedó olvidaba durante bastante tiempo debido a lo que se puede llamar la supremacía en el medio científico de la interpretación de Copenhague y los proceedings muestran realmente que hubo mucha discusión con relación a esa teoría...

GER: Perdón ¿recordás que Einstein era un gran defensor, siempre fue un gran defensor del realismo en la interpretación de la física, recordás cuál fue el papel de Einstein en ese congreso?

SPB: Sí, existe también una parte histórica que aparentemente, que quedó claro que no era correcta, en muchos lugares se citan discusiones entre Bohr y Einstein durante ese congreso pero en los proceedings no constan nada de la discusiones; parece que las discusiones fueron, si es que las hubo, aparentemente fueron informales durante intervalos que hubieron durante el evento porque durante las conferencias ellos públicamente no discutieron aparentemente nada.

GER: Si, al respecto hay un artículo, unas memorias escritas por Werner Heisenberg que se llama "Encuentros con Einstein" o "Conversaciones con Einstein", en el cual precisamente él menciona encuentros y discusiones con Eisntein y con Bohr en los intervalos del congreso y después en los días posteriores.

SPB: En particular otra cuestión importante es que Bohr, lo que figura como contribución de Bohr a ese congreso, en los proceedings del congreso, en realidad no es lo que Bohr dijo durante el congreso, sino es una versión de una charla que dió después en un encuentro que se hizo en el Lago Como; entonces tampoco se sabe muy bien, no queda registro de lo que Bohr dijo públicamente en ese evento. Y con relación a Einstein, y en particular lo que Einstein dijo con relación a la propuesta de de Broglie, en principio Einstein estaba interesado porque la propuesta de de Broglie como veremos después conserva la idea de la partícula en sí, o sea la partícula continúa existiendo y una trayectoria asociada a ella; y Einstein parece que se interesó digamos con esa característica de la idea de de Broglie que era mucho más precisa que lo que proponían Bohr y sus amigos.

GER: ¿Max Born propuso la interpretación probabilística de la función de onda con posterioridad a este congreso verdad? Debe haber sido en forma posterior. En la época en que sucedió el congreso ¿estaba claro qué era la función de onda? ¿Había gente que todavía pensaba que la función de onda era directamente una onda material o había una interpretación probabilística de esa función?

SPB: Yo creo que probablemente, no se existía la probabilística, pero con seguridad la interpretación de la función de onda como algo material existía porque era Schrödinger el que tenía esa idea, y en particular en el Solvay él mantuvo esa idea de que existía una onda real y la partícula no era más que un paquete de ondas.

2 - El referente de la Mecánica Cuántica

GER: Sí, efectivamente Santiago, fue Max Born en 1926 el que propuso la interpretación probabilística de la función de onda. En Mecánica Cuántica la función de onda como sabés es el objeto dinámico de la teoría, es la incógnita que uno tiene en la ecuación de Schrödinger, qué es la ecuación en la teoría que da el comportamiento del sistema cuántico, pero lo que no estaba claro hasta ese momento es a qué se refería la función de onda. Lo que hace Born es señalar que la función de onda en realidad se utiliza para calcular una densidad de probabilidades y ¿es la densidad de probabilidades de qué?, es la densidad de probabilidades que mide la propensión que tiene el sistema a estar en un cierto estado con ciertos valores definidos de sus propiedades. Sin embargo no hay una asignación directa, en mi opinión por lo menos, de un carácter ondulatorio del objeto cuántico en sí, sino que el referente de la función de onda es la densidad de probabilidad que es una distribución matemática esencialmente. ¿Vos pensás que hay algún tipo de experimento en el cual ésto queda claro, puede ser manifiesto al observador?

SPB: Quizás sea el experimento de la rendija el que aclare un poco esa cuestión, en las dos rendijas de hecho, el experimento de las dos rendijas ya viene siendo realizado del siglo XVIII por varios investigadores de óptica, y consiste precisamente en una pantalla con dos rendijas y una pantalla posterior, entonces al enviar luz hacia la pantalla con dos rendijas las dos rendijas se transforman en emisores de ondas, esas nuevas ondas se interfieren, y se muestra lo que aparece en la pantalla posterior que es un patrón de interferencia. Si hiciésemos el mismo experimento pero en vez de enviar luz hacia las rendijas mandásemos partículas, o sea bolitas, lo que veríamos son líneas llenas sin ningún patrón de interferencia en la pantalla posterior. Entonces tal vez para contestar esa pregunta de si los objetos a los que se refiere Mecánica Cuántica son ondas o partículas o las dos cosas, ese experimento se podría hacer con objetos cuánticos, por ejemplo electrones, de hecho ya se ha hecho con electrones, neutrones y partículas altas. Entonces básicamente se envían electrones, de hecho se pueden enviar electrones con un cierto intervalo de tiempo entre uno y otro, de forma tal que impactan en la pantalla, y si uno se envía lentamente lo que se vería es que cada electrón deja un puntito en la pantalla, en la pantalla posterior, o sea que eso sería condicente con la interpretación o mejor con un aspecto del electrón como partícula. Por otra parte si esperásemos el tiempo suficiente para que los electrones que están saliendo a una tasa baja digamos, para ver cómo se distribuyen en la pantalla posterior veríamos que se forma un patrón de interferencia el mismo tipo que se veía en experimentos ópticos. Entonces se podría decir que los objetos que estudian la Mecánica Cuántica tienen propiedades tanto de partículas como de ondas. Eso es el mensaje que generalmente se pasa al libro de texto, cualquier libro de texto, la mayor parte de los libros de texto interpreta ese experimento como diciendo bueno el objeto cuántico responde a lo que se llama la dualidad onda-partícula.

GER: Pero perdón Santiago ¿tiene sentido pensar que un objeto cuántico al mismo tiempo tiene propiedades clásicas de onda y de partículas?

SPB: Bueno quizás para responder a esa cuestión lo que haga falta es entender precisamente en forma precisa cuál es el referente de la teoría, o sea la Mecánica Cuántica puede ser analizada y axiomatizada, y puede dejarse en evidencia en forma clara a qué se refiere la teoría, y al hacer eso queda evidente que la teoría se refiere a partículas y no a ondas, el supuesto comportamiento ondulatorio está asociado a la densidad de probabilidad que tiene que ver con la función de onda, en particular el módulo cuadrado de la función de onda, pero el referente de la Mecánica Cuántica son partículas.

GER: Eso que decís es muy interesante porque es una situación diferente a las que se presentan en otras teorías como las teorías clásicas, donde uno tiene las ecuaciones dinámicas, y el objeto dinámico de la teoría siempre tiene un referente directo, por ejemplo si uno tiene las ecuaciones, por decir algo, las ecuaciones de Newton, el referente de la variable dinámica que aparece en las ecuaciones de Newton es siempre la partícula o el sistema clásico en cuestión. Aquí tenemos una ecuación de onda que es la ecuación de Schrödinger pero la solución de esa ecuación de onda no es el referente directo de la teoría, sino que es simplemente es una densidad de probabilidad que sirve para calcular ciertas propiedades que, bajo cierto punto de vista pueden ser ondulatorias, bajo otras condiciones de contorno cuando se resuelven ecuaciones pueden no ser de clase ondulatoria sino pueden ser más bien similares a lo que presenta un comportamiento de tipo partícula.

3 - La interpretación de Copenhague

SPB: Lo que venimos discutiendo nos deja a la puerta de las diferentes interpretaciones en particular, la llamada interpretación de Copenhague es la más popular, y bueno quería saber cuál es tu opinión sobre esa interpretación.

GER: Si, pienso que en la interpretación de Copenhague se asienta fundamentalmente sobre un aspecto de las ecuaciones básicas de la teoría de la ecuación de Schrödinger que es la linealidad. Que la ecuación sea lineal significa que la combinación lineal de soluciones va a ser también solución. Entonces cuando uno resuelve la ecuación, en un caso general, lo que obtiene es una combinación lineal de estados posibles del sistema. Lo que hace es usar esa combinación lineal para estimar, utilizando la regla de Born, cuál es la probabilidad de que el sistema adquiera un valor específico. Ahora, cuando uno hace una medida concreta lo que va a medir no es una probabilidad para el caso de un sistema, lo que va a medir es básicamente cierto valor para esa propiedad, que en el cálculo previo tenía una cierta probabilidad, entonces pasamos de tener un sistema que estaba descripto esencialmente por una combinación lineal de estados a un sistema que está descripto por un autoestado particular que corresponde al valor concreto en el cual el sistema fue encontrado en el experimento. Entonces lo que hace la interpretación de Copenhague es introducir algo desde afuera de la teoría que es el colapso de la función de onda, se nos dice que el proceso de medida, que hasta ahora no había aparecido en la teoría, es el que produce que se pase de tener una función de onda que es una combinación lineal de autoestados a un autoestado concreto, a eso se llama colapso de la función, porque de los infinitos posibles estados se pasa a un único estado, y se atribuye como causa de ese cambio la intervención de un observador o de un dispositivo experimental. Ahora yo veo varios problemas en esa interpretación, que no agota la interpretación de Copenhague, pero es uno de sus aspectos más importantes.

Primero hay un problema me parece con las probabilidades, podemos tomar una analogía de un sistema clásico, por ejemplo una ruleta; tenemos una ruleta, tenemos 36 posibilidades a priori antes de tirar la bolita en la ruleta de el resultado final del proceso, entonces hay una probabilidad de 1/36 avo por ejemplo de que salga un número concreto, digamos el numero 4; si yo tiro la bolita, sale el número 4 y puedo decir: la probabilidad de que salió el 4 es 1, porque ahora está en el número 4 y no va a cambiar una vez que cayó en el 4 queda en el 4. Yo creo que hay un error en esa interpretación. La razón por la cual un casino paga porque haya salido el número al cual le apostamos es porque la probabilidad después de que salió sigue siendo 1/36 avo, no es que hay un colapso de la probabilidad. Lo que hay es un cambio de la situación pero la probabilidad, a priori de que haya salido ese número que es lo que da básicamente la teoría estadística en el caso de la ruleta o lo que da la Mecánica Cuántica en el caso de un experimento, es una probabilidad a priori que se mantiene. Después está bien, el sistema que interactuó con el medio evolucionó a un nuevo estado. Ahora esa evolución escapa a la teoría original, que es la Teoría de la Mecánica Cuántica; y creo en mi opinión que debe ser estudiado por una teoría de la interacción del sistema cuántico con su entorno. Además quiero ser enfático en lo siguiente: la función de onda difícilmente pueda colapsar porque es un objeto matemático como estábamos diciendo antes, esencialmente es una función compleja en un espacio infinito dimensional que se llama espacio de Hilbert, que es un espacio funcional. Ese objeto matemático no puede colapsar, como puede colapsar un puente un edificio o una persona, no es un objeto físico en el cual los cambios lo hagan colapsar; lo que sí pasa es que el sistema físico al cual esa función de onda le asigna por medio de ciertos procedimientos matemáticos una densidad de probabilidad va a evolucionar. Pero si queremos saber cómo va a evolucionar vamos a necesitar una ecuación de evolución distinta que la ecuación de Schrödinger, probablemente incluso sea una evolución no lineal. Entonces este aspecto, me parece que es el aspecto fundamental de la interpretación de Copenhague, o sea es la idea de que hace falta una acción externa para que el estado del sistema cambie de un estado que es una superposición lineal de estados a un estado que se especifique simplemente por un autovalor particular.

Gustavo Esteban Romero se licenció en Ciencias Físicas en el año 1991 en la Universidad Nacional de La Plata UNLP, y se doctoró en la misma institución en el año 1995. Entre 1997 y 1998 trabajó en el Instituto Astronômico e Geofísico IAG en São Paulo Brasil; desde 1991 en el Instituto Argentino de Radioastronomía IAR; entre 1995 y 2000, y desde 2003, en la UNLP. Ha sido Presidente de la Asociación Argentina de Astronomía, dos veces Premio Bernardo Houssay del Ministerio de Ciencia y Tecnología, Premio José Luis Sérsic de la Asociación Argentina de Astronomía, Premio Enrique Gaviola de la Academia Nacional de Ciencias, en dos oportunidades Mención de Honor en la Gravity Research Foundation y Premio Helmholtz International Award. Actualmente es Profesor Titular de Astrofísica Relativista en la UNLP y es Investigador Superior del CONICET en el IAR donde dirige el Grupo de Astrofísica Relativista y Radioastronomía GARRA.

Santiago Esteban Perez-Bergliaffa se licenció en Ciencias Físicas en el año 1990 en la Universidad Nacional de La Plata UNLP, y se doctoró en la misma institución en el año 1997. Entre 1998 y 2004 trabajó en el Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas CBPF; desde entonces y hasta la fecha se desempeña como Profesor Adjunto y Vice-Coordinador del Programa de Posgrado en el Instituto de Física de la Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ, Brasil. Ha realizado investigaciones en gravitación y cosmologia, con énfasis en agujeros negros, teorias alternativas de la gravitación, modelos cosmológicos no singulares, y en filosofía de la física.

La colaboración entre ambos científicos comenza en el año 1990, y abarca temas como la axiomatizacion de teorías de la física, agujeros negros y estrellas de neutrones. Durante casi tres décadas han compartido perplejidades, humor, y una imbatible amistad.

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