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 explican de una manera simplificada como un 'efecto observador' donde los estados cuánticos no pueden ser observados sin ser alterados (como se muestra en la siguiente imagen) pero en realidad el problema es más complejo que eso.

El Problema de la Medición simplificado como Efecto Observador

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 representa la amplitud de una onda de probabilidades. 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".

Detector ATLAS del LHC en el CERN

¿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.

Entonces cuando los físicos utilizan un instrumento para medir una magnitud observable, la Naturaleza 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. El instrumento puede ser tan sencillo como una célula de la retina del ojo, o 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.

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 Conciencia y que no será posible tener una respuesta adecuada a estas preguntas hasta que se considere la naturaleza cuántica de la conciencia; ya que medición es sinónimo de observación, y precisamente eso que llamamos "conciencia" 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 conciencia 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 Conciencia Cósmica o Dios.

Hay físicos que 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. Los físicos de hoy han logrado domesticar la mecánica cuántica y hasta han enseñado al gato de Schrodinger a maullar, pero de todas formas para nosotros los neófitos la vida cotidiana sigue siendo tan misteriosa como los átomos siempre han sido.

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

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