Iniciamos esta serie de Hablando de… con el ácido sulfúrico, sintetizado por primera vez por Geber, cuyas ideas inspiraron la búsqueda en la Edad Media de la piedra filosofal por los alquimistas, el más grande de los cuales fue Paracelso, que eligió ese nombre para compararse con Celso, que se pensaba era un médico romano pero realmente era un tratadista que escribió una de las primeras grandes enciclopedias, la mayor de las cuáles es el Siku Quanshu, que contiene tesoros científicos, literarios y filosóficos como los tres textos clásicos del Taoísmo Filosófico, que tenía un concepto de la realidad muy diferente del occidental hasta la llegada de la “realidad cuántica”, puesta en cuestión por algunos físicos, que se enzarzaron en interesantes debates como las discusiones entre Einstein y Bohr._ Pero hablando de las discusiones entre Einstein y Bohr…_
A pesar de que él mismo había establecido algunos de los fundamentos físicos que más adelante construirían la mecánica cuántica (como el concepto de fotón), la teoría cuántica nunca gustó a Albert Einstein - todo lo que dijimos en el artículo anterior de esta serie acerca del desmoronamiento de la realidad objetiva disgustaba al ilustre físico profundamente. Para él, debía existir una realidad objetiva que la mecánica cuántica no podía describir por limitaciones de la propia teoría, y no por la naturaleza del Universo.
Probablemente has leído algunas de las citas de Einstein contra la cuántica, como la que suele expresarse como “Dios no juega a los dados”. Einstein era bueno creando frases citables, pero no el único - es posible que no conozcas la respuesta de Niels Bohr, “Einstein, deja de decir a Dios lo que hacer [a veces se añade:] con sus dados.”
Porque Einstein mantuvo una interesantísima discusión durante años con los físicos que defendían la mecánica cuántica y, en particular, la Interpretación de Copenhague de esta teoría. Piensa en la situación: Einstein contra las mentes de Bohr, Heisenberg, Born, von Neumann…es una lucha de titanes.
Bohr y Einstein, en una foto tomada por Ehrenfest.
La mayor parte de las discusiones se producían de la siguiente manera: Einstein inventaba un experimento mental que, en su opinión, demostraba que la mecánica cuántica no funcionaba, por ejemplo, rompiendo el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Las ideas de Einstein, como casi siempre, eran elegantes, agudas y muy creativas (de hecho, pocos de sus “oponentes” podían encontrar fallos en sus argumentos). Solía escribir a Bohr (por ser el más cercano a él personalmente), y el genial danés le contestaba rompiendo su argumento en algún punto.
Al principio, Einstein se centró en atacar el Principio de Incertidumbre, que dice que es imposible medir simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula, o lo que es lo mismo, su energía y el instante en el que se mide. Este principio es fundamental en la cuántica, pues es el que hace que la realidad sea “borrosa” debido a la influencia de la medición.
Por ejemplo, uno de sus experimentos mentales era el siguiente: supongamos que tengo una caja que contiene radiación electromagnética (fotones) y un reloj conectado a una pequeña compuerta en la pared de la caja. Puedo abrir y cerrar la puerta en un intervalo de tiempo muy corto, de manera que de la caja salga únicamente un fotón, y el reloj puede marcar el instante en el que el fotón sale de la caja.
Pero, ¿cómo sé qué energía tiene ese fotón? Aquí es donde el genio de Einstein se pone de manifiesto, al utilizar su propia Teoría de la Relatividad Especial para hacerlo sin, aparentemente, perturbar al fotón de ninguna manera: puesto que la energía y la masa son dos caras de la misma moneda, si sé la masa de la caja antes y después de que salga el fotón, la pérdida de masa de la caja se corresponderá, según la fórmula E = mc2, con la energía del fotón que ha salido, y podré conocer su energía y el instante de tiempo con precisión arbitraria. Ergo, el principio de incertidumbre no es absoluto.
Einstein propuso ese argumento en el Congreso de Solvay de 1930, y los cuánticos no podían encontrar el fallo de su argumento. Bohr en particular estaba muy agitado y nervioso, yendo de físico a físico tratando de convencerlos de que era imposible que Einstein tuviera razón, que debía haber algún fallo que no podían ver.
Según Leon Rosenfeld, otro físico del Congreso, Einstein y Bohr dejaron el edificio juntos: Einstein muy calmado, con una leve sonrisa irónica en los labios, y Bohr trotando a su lado lleno de excitación y bullendo con ideas. Observa cómo, en la hora en la que parecía que uno de ellos derrotaría al otro, ambos se iban juntos, y su relación no dejaba de ser muy cordial.
Sin embargo, la mañana siguiente vio el triunfo, una vez más, de Bohr, y si has leído y entendido el artículo anterior puede que tú mismo hayas visto un par de fallos en el razonamiento de Einstein: en primer lugar, ¿cómo medimos la masa de la caja? Tenemos que utilizar algún instrumento, por ejemplo, una balanza. Si la caja cuelga de un muelle, podemos medir cuánto se alarga el muelle y así saber la masa de la caja…
Pero no podemos medir el alargamiento del muelle sin alterarlo de alguna manera, de modo que oscile, con lo que no podemos saber la masa con precisión absoluta. De hecho, combinando esta imprecisión con la del cierre de la puerta (que no puede ser instantáneo), se obtiene…la fórmula del Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Una vez más, Einstein se veía derrotado.
Pero nunca dejó de luchar contra lo que, para él, era abandonar la búsqueda de una verdad absoluta en la Naturaleza. Una vez se dio cuenta de que los principios cuánticos no eran atacables, pasó a argumentar que la teoría parecía indicar que no había una realidad absoluta porque era incompleta. Había variables ocultas que la teoría no consideraba porque no las conocemos pero, si se descubrieran e incluyeran, demostrarían que hay una realidad absoluta y cognoscible.
En una última etapa, Einstein publicó un artículo junto con Boris Podolski y Nathan Rosen, el argumento EPR, que demostraba que una teoría cuántica debía ser no local, es decir, todo está relacionado instantáneamente. El argumento, a grandes rasgos, era el siguiente:
Si tengo dos fotones que se encuentran en estados cuánticos entrelazados (es decir, no es posible saber cuál es el estado del primero sin saber el del segundo) y los llevo a lugares diferentes, medir el estado del primer fotón necesariamente determina cuál es el estado del segundo. Supongamos que el primer fotón puede estar en el estado A o el estado B, y el segundo fotón necesariamente está en el estado contrario.
Entonces, si en un momento dado mido el estado del primer fotón y resulta ser B, instantáneamente el estado del segundo se convierte en A. Si suponemos que los estados de los fotones eran fijos y estaban determinados desde el principio, pero que no podíamos conocerlos porque la teoría cuántica es incompleta (como afirmaba Einstein), no hay problema: no hay nada que se haya transmitido de un fotón al otro instantáneamente; simplemente, no sabíamos el estado y ahora sí, pero el estado era el mismo.
Pero si el estado del fotón, como afirma la “realidad cuántica”, realmente se convierte en el estado B, eso quiere decir que hay “algo” que viaja desde el primer fotón al segundo de forma instantánea. En palabras de Einstein, una “acción fantasmal a distancia” que haría que la realidad no fuera local: es decir, que las cosas afectaran a otras cosas instantáneamente, de modo que la única manera de “ver” el Universo como es sería verlo en su totalidad, no sólo una parte, porque cualquier parte del Universo puede afectar a cualquier otra parte de forma instantánea, lo cual era absolutamente inaceptable para él.
Cinco meses después de la publicación de la “paradoja EPR”, Bohr respondió en la misma publicación, pero su respuesta no es demasiado brillante ni derrota al argumento de Einstein que, una vez más, es de una agudeza extraordinaria. (Ni siquiera vamos a poner aquí la respuesta de Bohr, porque no es muy interesante). ¿Significa esto que, al final, Einstein gana la batalla y demuestra que la cuántica es incompleta? Pues no.
Los experimentos realizados desde entonces han demostrado que la “acción fantasmal a distancia” existe realmente, con lo que el argumento de Einstein, una vez más, no puede derrotar a la mecánica cuántica. Aunque aún hay diferencias en la interpretación de la teoría, la opinión prevalente es que, efectivamente, la realidad no es local ni absoluta - por supuesto, es posible que teorías futuras expliquen por qué nos parece así y que, al final, Einstein tenga razón y haya factores que aún no estamos teniendo en cuenta.
En cualquier caso, esa etapa (los 20-30 años durante los cuales tuvieron lugar los debates) es fascinante: las mentes de tantos genios en un duelo de esgrima mental de argumentos y contra-argumentos, de los cuales sólo hemos dado, por supuesto, pequeñas pinceladas…
Las figuras más importantes, desde luego, fueron Einstein y Bohr, pero piensa en los actores “secundarios”: Heisenberg, Ehrenfest, Schrödinger, Born, von Neumann… algunos no tan conocidos por la gente en general, pero no por ello menos geniales; por ejemplo, John von Neumann, un personaje fascinante al que hemos mencionado en El Tamiz en ocasiones anteriores.