martes, septiembre 02, 2008

Física Cuántica: El Problema de la Medición


Mi carro se rompió el otro día, así pues lo llevé al taller.
El tipo de allí me dijo que él es un mecánico cuántico.
Le pregunté si podía arreglar mi carro o no.
El encogió de hombros y dijo:
"No sé. Primero tengo que mirarlo"


Este esotérico chiste del físico Stephen Hawking se refiere por supuesto a la notoria paradoja física conocida como Problema de la Medida que algunos textos de física explican de una manera simplificada basándose en el fenómeno de la dualidad onda-partícula, como una especie de efecto observador (*) donde los estados cuánticos no pueden ser observados sin ser alterados.

El Problema de la Medición simplificado como Efecto Observador

Otra explicación alternativa del problema se basa en esa conocida característica que tienen las ondas en general de que es imposible determinar con infinita precisión su posición y su frecuencia o su longitud de onda (que en mecánica cuántica se relaciona con el momentum de la partícula según la relación de De Broglie λ=h/p) lo cual origina un nivel de incertidumbre en el resultado de la medición.

Sin embargo, en realidad el problema es más complejo que eso y tiene que ver con la naturaleza aleatoria de los estados cuánticos y la formulación estadística de la mecánica cuántica basada en el concepto de la Función de Onda que representa la amplitud de una onda de probabilidades, tal y como se explica a continuación.

La Teoría Cuántica (la cual nunca ha hecho una predicción errónea) plantea que antes que un observador "mire" o mida algo, el mundo físico solo existe como una superposición de todos sus posibles estados simultáneamente (lo cual conduce a otras famosas paradojas como la del Gato de Schrödinger donde el gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo). Esta superposición de estados se describe matemáticamente con una Función de Onda que se obtiene como la solución de alguna de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica (**). Solo después que se "mira" al mundo es que aparecen las partículas reales (llamadas quanta o cuánticas). Los físicos tampoco están seguros qué significa "mirar".

¿Qué es lo que realmente significa hacer una medición cuántica? Ciertamente sabemos como hacer mediciones pero lo que no sabemos es qué aspectos de la medición son necesarios para producir la existencia del mundo físico. Qué es lo que hace falta para convertir las probabilidades cuánticas en hechos reales, es una pregunta abierta en la física.

La física cuántica no nos dice qué existe sino solamente qué se medirá. Aun más, la teoría dice que no es posible medirlo todo, así que tenemos que escoger (según el Principio de Incertidumbre de Heisenberg) qué magnitudes observables vamos a medir. Solo después de escoger qué medir, la teoría nos da predicciones definidas de la probabilidad de observar valores específicos de la magnitud escogida.

* Un ejemplo real del efecto observador en mecánica cuántica es el llamado Zeno Effect (Efecto Zenón) donde experimentalmente se demuestra cómo un sistema cuántico no cambia mientras está siendo observado (como si el sistema se congelara en el tiempo durante la medición).

** Las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, derivadas a partir de un conjunto de Primeros Principios, incluyen la Ecuación de Schrödinger no-relativista que resuelve el átomo de Hidrógeno y explica la tabla periódica de los elementos químicos, o la correspondiente versión relativista dada por la Ecuación de Dirac que explica el spin de las partículas y predice la antimateria, más las ecuaciones cuánticas de los campos (Quantum Field Theory) que describen los cuatro tipos de campos o interacciones fundamentales que existen (electromagnetismo, interacciones nucleares fuertes y débiles, y la gravitación) y constituyen el llamado Modelo Estándard de la física de partcículas elementales.

El Dilema del Colapso de la Función de Onda

El Problema de la Medición significa que cuando utilizamos un instrumento para medir una magnitud observable, la Naturaleza entonces produce un resultado real a partir de todos los posibles resultados permitidos por la teoría; a lo cual se le llama colapso de la función de onda donde la distribución de probabilidades se reduce a un único estado llamado eigenstate o estado cuántico puro; que matemáticamente se describe como un vector es el espacio complejo de Hilbert.

El instrumento puede ser algo natural como una célula de la retina del ojo, o artificial y tan complejo como el detector de partículas ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN mostrado en la foto. Pero si el mundo cuántico es solo un mundo de posibilidades, uno se pregunta de dónde salen tales instrumentos de medición reales. ¿Cómo y cuándo en un mundo puramente cuántico apareció el primer "instrumento" que fue capaz de producir la realidad que conocemos a partir de tantas posibilidades? Esta es una paradoja que recuerda el problema del huevo y la gallina para la cual los físicos no tienen una buena respuesta.

Detector ATLAS del LHC en el CERN

Algunos físicos creen que para poder resolver lógicamente estas paradojas hay que considerar la teoría de los Muchos Mundos o Universos Paralelos que plantea que cuando la función de onda colapsa debido a una medición u observación, y solo una de sus posibilidades se materializa en nuestro universo observable, lo que ocurre es que cada otra posibilidad no materializada se realiza en algún otro universo paralelo. Sin embargo muchos físicos hoy en día consideran que en realidad este problema está intrínsecamente relacionado con ese otro problema fundamental de la filosofía conocido como Problema de la Consciencia y que no será posible tener una respuesta adecuada a estas preguntas hasta que se considere la naturaleza cuántica de la consciencia; ya que medición es sinónimo de observación, y precisamente eso que llamamos "consciencia" es el observador final que colapsa la función de onda al observar la realidad física.

Incluso algunos físicos como Eugene Wigner, premio Nobel de Física en 1963, han llegado a plantear que la consciencia es condición necesaria para la existencia de la realidad física. Idea que ha sido extrapolada por otros físicos quienes consideran que, como lo ha expresado el profesor Michio Kaku, eventualmente se necesitaría una cadena infinita de observadores, cada uno observando al otro, y como Wigner implica, esta cadena de observadores colapsando la función de onda en un proceso continuo por consenso sería como una Consciencia Cósmica o Dios.

Hay quienes comparan la física cuántica a un enorme edificio donde los físicos, como laboriosos obreros, han ido completando piso por piso mientras que la base se mantiene soportada por un precario andamio que nadie quiere examinar de cerca por temor a que toda la estructura colapse. A pesar de lo cual los logros de la mecánica cuántica son impresionantes, tanto desde el punto de vista teórico como práctico. Podría decirse que los físicos de hoy han logrado domesticar la mecánica cuántica y hasta han enseñado al gato de Schrodinger a maullar, sin embargo para nosotros los neófitos el universo sigue siendo tan misterioso como los átomos siempre han sido.

En fin, que el problema de la medición cuántica no es un chiste.

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