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Asunto:[RedLuz] Física que?...Cuántica (9)
Fecha:Lunes, 25 de Agosto, 2008  16:20:04 (-0300)
Autor:Difusión de Profesionales en Medicina Interdisciplinaria <DiproRed @.........ar>

 

 

¿¿¿FÍSICA QUÉ???....... Cuántica


Un Enfoque Personal Conceptual e Histórico, aunque no Matemático


por: Eduardo Yvorra

 
 
Realidad Local y no local

 

La mayoría de los físicos en la actualidad, utilizan los conceptos de la teoría quántica, como una receta, sin importarle mayormente cual es la “realidad” física que esta representa. Sin embargo es difícil aceptar esta posición, dado que si esta teoría es tan exacta en sus predicciones, tiene que tener una base muy firme en el comportamiento real de la naturaleza. Por este motivo es que la disputa entre dos hombres como Bohr y Einstein acerca del significado de esta teoría es de suma importancia. Su discusión se basaba fundamentalmente en los conceptos de realidad local y no-local que ahora intentamos explicar.

 

En primer lugar para ubicarnos imaginemos el siguiente experimento: supongamos que tenemos dos cajas y en cada una de ellas colocamos un guante del mismo par, en una el derecho y en otra el izquierdo. Supongamos ahora que le entregamos las cajas a dos individuos, Pepe y Juan, que viajan en avión a las antípoda uno del otro, sin que ninguno sepa que guante tiene su caja. Se le instruye también a uno de ellos, Pepe, que si al llegar a su primer destino y abrir la caja encuentra un guante derecho se dirija a la ciudad A, y si por el contrario contiene un guante izquierdo se dirija a B. Esta instrucción es también conocida por el otro viajero, Juan. Una vez que llegan a su destino, Pepe abre su caja y sigue las instrucciones. Inmediatamente después Juan abre la caja e instantáneamente sabe hacia donde esta viajando Pepe. ¿Cómo es que lo sabe? ¿quién le proporciono esta información? Al ver un guante, supo en el acto que en la caja de Pepe estaba el opuesto y por lo tanto hacia donde debía viajar. Nada hay de extraño en esta situación pues lo que Juan hizo fue deducir a partir de la información que ya tenia, no hubo ninguna transferencia de información entre el y Pepe.

 

Cambiemos un poco la historia. Supongamos que los guantes son mágicos. Estos si bien se presentaran como miembros de un par, derecho e izquierdo, cuando sean observados, mientras están encerrados en las cajas, no tendrán una forma determinada. Solo cuando la caja se abre y alguien mira serán forzados a tomar la naturaleza de guante derecho o izquierdo, con una chance de que esto ocurra del 50 % para cada forma.  La naturaleza mágica de estos guantes impide también que podamos observar su estado indeterminado, dado que ni bien los miramos, adoptan una forma. Si esto fuera así, cuando Juan abre la caja (antes que Pepe) y ve un guante derecho por ejemplo, sabe que en ese mismo momento el guante de Pepe adopto la forma de izquierdo, dado que ambos son miembros del mismo par. Paralelamente, Juan no puede determinar si es que el fue el primero en abrir la caja o no. Siendo así, dado el carácter reciproco de conexión, podría haber ocurrido que Pepe abrió primero su caja y su guante se materializo izquierdo, dando así la forma al guante de Juan. Si bien esto es posible ni Juan ni Pepe pueden decir que ocurrió primero sin comunicarse entre ellos por TE o mail, a una velocidad que no supera la velocidad de la luz.

¿Qué tiene que ver esta historia? Los guantes no tienen esta característica, pero las entidades cuánticas como los electrones, los fotones y otras particulas elementales, si las tienen. Estas partículas tienen ciertas propiedades que se mantienen en un estado indeterminado sin manifestarse hasta tanto sean forzadas a manifestarse debido a una medición /observación que se realiza sobre ellas. No se puede saber de antemano con seguridad cual será el resultado de dicha medición. La mecánica cuántica solo predice las probabilidades de ocurrencia de determinados resultados. Antes de la existencia de la cuántica, se daba por garantizado que cuando un científico observaba y media algo, lo que estaba haciendo era ganar conocimiento acerca de un estado pre-existente y determinado; esto es que los guantes son o derechos o  izquierdos independientemente de que los observemos o no, y cuando los observamos, y conocemos su forma, lo que estamos haciendo es tomando nota de un dato independiente acerca del mundo. La mecánica cuántica sin embargo dice otra cosa. Algunas cosas, no están determinadas salvo cuando son observadas/medidas, y solamente en ese momento es cuando toman un valor definido y concreto.

 

Esta historia de los guantes aunque planteada con un par de entidades cuánticas correlacionadas, sea un par de electrones para medir sus spin, o un par de fotones para medir sus polarizaciones, fue planteada por Einstein, Podolsky y Rosen en la denominada Paradoja EPR, donde Einstein discutía con Bohr la irracionalidad de lo que los cuánticos afirmaban. Para Einstein no podia existir este mecanismo de transferencia instantánea de información (el guante de Pepe, adopta su forma ni bien Juan abre la caja de su guante; a pesar de estar en las antípoda uno de otro) dado que esto significaría que la información viaja a mayor velocidad que la de la luz. Tampoco aceptaba la posibilidad de que una acción a distancia sin ningún mecanismo de mediación.

 

Y aquí podemos introducir el concepto de realidad local. Einstein y el sentido común es decir a lo que estamos acostumbrados defienden el concepto de realidad local:

 

Realidad significa que las cosas tienen características intrínsecas propias, las cuales no dependen de que sean observadas/medidas; es decir los guantes en nuestro ejemplo, son derecho e izquierdo por mas que estén en cajas cerradas.

Local significa que ninguna transferencia de información entre dos puntos puede hacerse a una velocidad superior a la de la luz. Este concepto también se conoce como la no acción a distancia, la no existencia de conexiones ocultas entre las cosas, las entidades cuánticas en nuestro caso (fotones, electrones o partículas subatómicas).

 

Ahora bien experimentos realizados (Aspect, Bell) con entidades cuánticas (fotones) demostraron que el concepto de realidad local no es valido para dichas partículas, o sea o no son reales, no tienen ninguna característica intrínseca hasta tanto se las observe (esto afirmaba Bohr), o entre ellas existe transferencia de información a una velocidad superior a la de la luz, violando los postulados de la teoría de la relatividad, o tienen algún tipo de conexión entre ellas desconocida, que les permite interactuar en forma instantánea (Ver la analogía de D.Bohm de la pecera en el capitulo de Variables no Conocidas). La aceptación de la no realidad o mejor dicho de que ciertas entidades se mantienen en un estado indeterminado, esta vinculado con el asociar a dichas entidades una función de onda (Schrodinger) que me indica cual es la probabilidad de que dicha entidad cuando sea observada adopte una característica concreta. Para los guantes mágicos, la función de onda me diría 50 % que sea guante derecho y 50% que sea guante izquierdo. Al abrir la caja- lo que significa observar o realizar una medición- se dice que la función de onda colapsa dando una de las características posibles en forma concreta. La función de onda de los guantes mágicos colapsa por ejemplo, en el guante derecho. Estos conceptos de colapso de la función de onda son propios de la mecánica cuántica y de la interpretación que hace de la misma Bohr, denominada interpretación de Copenhague: La realidad es indeterminada, la velocidad máxima de transmisión de información es la de la luz. Fíjense que decimos interpretación, porque también podríamos interpretar que la realidad existe objetivamente pero que la información se transmite entre estas partículas o entidades correlacionadas a una velocidad superior a la de la luz. O bien que existe alguna conexión misteriosa entre ambas partículas.

 

En resumen lo que la teoría cuántica parece mostrar es que el concepto de realidad local es erróneo para el mundo cuántico, contra lo que Einstein discutió hasta su muerte con Bohr, diciendo que esta situación solo se debía a la existencia de las denominadas variables desconocidas.

 

El teorema o la Inecuación de Bell, es una demostración de que Einstein estaba equivocado y que por extraño que resulte, algo debe abandonarse, o el concepto de realidad objetiva o el de la velocidad de la luz como limite superior a cualquier transferencia de información.    

Lo que miro es lo que mido. La influencia del observador

 

Si afirmamos que la mecánica cuántica establece que el acto de medir no brinda información acerca de un estado pre-existente de la variable medida, sino que por el contrario, fuerza a un sistema indeterminado a tomar una apariencia definitiva; entonces debe haber razones empíricas para que esta afirmación sea valedera. Aun en el campo de la física teórica, no se podría lanzar una idea tan extraña y  contraria a la intuición y sentido común, si no hubiera algo muy fuerte que la demostrara.

 

Una de estas primeras demostraciones y tal vez la mas sencilla de comprender, fue llevada a cabo en Alemania en 1921 por Otto Stern y Walter Gerlach. Para el propósito de esta explicación, imaginemos a los átomos como pequeños imanes en forma de barritas. Lo que S&G hicieron fue enviar un chorro de átomos a través de un campo magnético, para luego registrar en que dirección estos átomos salían de dicho campo. Si dicho campo magnético fuera uniforme es decir con la misma intensidad en toda la región por donde pasan los átomos, a estos nada les ocurriría, dado que la fuerza magnética de atracción ejercida por el campo sobre un polo del imancito, se equilibraría con la de repulsión ejercida sobre el otro polo. Por eso S&G regularon la intensidad de su campo magnético, digamos que desde arriba hacia abajo. De esta manera según como entran los imancitos al campo magnético, la fuerza hacia arriba será la de mayor intensidad, entonces algunos átomos (imancitos) saldrán hacia arriba, otros hacia abajo, y aquellos que entraron verticalmente no serán afectados. Para conocer como salen ,se coloca una pantalla fosfórica como de TV o una placa fotográfica para detectar donde los átomos impactan. Cuando realizamos este experimento vemos que lo pronosticado no ocurre. Lo que se observa es que los átomos son desviados en dos direcciones, de igual magnitud respecto del centro del campo magnético. Es como si los átomos fueran forzados a alinearse en paralelo o en antiparalelo con el campo magnético. Además si el campo magnético se rota 900 de manera que ahora sus líneas de fuerza sean horizontales en lugar de verticales, los átomos se marcaran en la pantalla en dos posiciones a la izquierda y a la derecha de la línea central del campo. Lo que S&G descubrieron, fue que no importa como estaban alineados los átomos a la entrada, a la salida siempre adoptaban dos posiciones equidistantes y ambos lados de la línea central del campo. Este resultado que no puede explicarse con los conceptos clásicos, se explica en física cuántica de la siguiente manera: al pasar un átomo por este mecanismo ideado por S&G, lo que estamos haciendo es medir el alineamiento magnético de los átomos con el campo, hasta ese momento de la medición o paso a través del campo, no tiene sentido hablar del alineamiento o hacia donde apunta el campo magnético de nuestro imancito (átomo) porque no existe. Los clásicos dicen que los átomos en este experimento tienen una alineación o dirección determinada de su campo magnético aunque es desconocida, y que estas orientaciones de todos los átomos se distribuyen al azar, algunos hacia arriba, otros hacia abajo, otros intermedios, etc y que entre todas estas orientaciones de la alineación de los átomos, encontramos la totalidad posible de alineamiento o dirección magnética, que es la propiedad que estamos midiendo. Por eso nos resulta inexplicable ver que los átomos al salir luego de traspasar un campo magnético, no tengan todos orientaciones diferentes. Lo que los cuánticos afirman, es que las orientaciones magnéticas de los átomos no son desconocidas y azarosas, sino que son indeterminadas, es mas, no existen hasta tanto se realice una medición de las mismas. Aun mas, algunos dicen que el termino orientación magnética no tiene sentido hasta tanto no realicemos la medición. Así debemos definir la orientación magnética, no como una propiedad del átomo indeterminada o desconocida, sino que es el resultado que obtenemos cuando realizamos una medición que , valga la redundancia, intenta medir la orientación magnética del átomo. Si bien esto resulta como un circulo vicioso o una tautología, en mecánica cuántica, una medición significa solamente el resultado del acto de medir.

 

Este es el corazón del asunto. En física clásica estamos acostumbrados a pensar que las propiedades físicas tienen valores definidos, los cuales intentamos conocer a través del proceso de medición. Mientras que en física cuántica, solo el proceso de medición puede rendir un resultado o numero definido para una cantidad física, y la naturaleza de la medición cuántica es tal que no es posible pensar que una propiedad física definida, tal como la orientación magnética de los átomos, pueda tener una realidad definitiva y comprobable antes de realizar el proceso de medición correspondiente.

 

Para ponerlo de otra forma, en física clásica, pensamos en forma convencional que los sistemas físicos tienen ciertas propiedades, y así imaginamos y llevamos a cabo experimentos que nos brindan información acerca de dicho sistema físico pre-existente. Pero en física cuántica, es solo la conjunción de dos cosas de igual importancia: un sistema físico, y un mecanismo de medición, lo que nos brindara un resultado definitivo. Debido a que diferentes mediciones brindan resultados que son incompatibles con la existencia de un estado o características del sistema que sean pre-existentes, no podemos entonces definir ninguna clase de realidad física a menos que describamos el sistema físico que estamos investigando (átomos en este caso) y el tipo de medición que estamos llevando a cabo sobre dicho sistema. Esta conclusión es realmente asombrosa, dado que nuestro intelecto ha sido educado a basarse en la premisa de la existencia de una realidad externa, objetiva y definitiva, sin importar cuanto o cuan poco conociéramos de ella. Es difícil aprehender el concepto de que la realidad de algo solo llega a ser real, se materializa en el acto de medir/observar, hasta tanto eso no ocurre no existe esa realidad. Cuando miro, lo que veo es lo que mido. Mas adelante veremos que esta es una de las interpretaciones de la realidad quántica, y que tiene mucho peso dado que estos conceptos fueron defendidos por algunos de los mas notables personajes de esta nueva rama de la ciencia, tales como Bohr, Heisenberg y Born.    

Continúa......

María Celia Jamniuk
Master en Bioelectrografía Kirlian
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