Luna

Luna urbana

Mi primera y humilde fotografía astronómica no podía ser otra que la de la Luna vista desde Terrassa, el 21-02-08 sobre las 20:00h (Hora local) tomada con una cámara digital SONY de 4.1 Mega Píxeles y 3x ópticos, sin soporte alguno. Se observan dos cables del tendido eléctrico de Alta Tensión en la parte superior de la imagen. Así es como vemos el cielo desde la ciudad: mal, poco definido y obstruido. Pero, a pesar de todo, sigue siendo maravilloso.

Podemos distinguir muchos accidentes de la geografía lunar, como los llamados mares y algunos cráteres importantes (Tycho y Copernicus).

Siempre que observo la Luna me viene a la cabeza una relación matemática casi obsesiva, que por familiar pasa desapercibida con frecuencia. El Sol y la Luna parecen tener el mismo tamaño en el cielo. Esto es así debido a que el Sol se encuentra 400 veces más alejado que la Luna teniendo también un tamaño 400 veces mayor. Ambas relaciones de tamaño y distancia hacen posible el eclipse solar total, uno de los fenómenos que más ha fascinado y motivado el estudio de la naturaleza, ya fuera desde una actitud religiosa (para predecir castigos divinos) o racional.

Es más correcto hablar de sistema Tierra–Luna que de la Luna como satélite natural. Ambos astros se mueven en relación a su centro de masas -el baricentro-, un punto situado en la línea que los une pero que no está en el centro de la Tierra.

La Luna presenta siempre la misma cara debido al enorme tirón gravitatorio entre ambos astros, lo que provoca que tenga unos 4 km más de radio hacia la cara mostrada a la Tierra que hacia la cara oculta.

Asimismo, el abombamiento de la Tierra afecta a su parte líquida produciendo subidas y bajadas del agua de las costas de manera regular. Esta fuerte influencia mutua gravitacional hace a la Tierra enlentecer su giro de rotación y a la Luna alejarse de ella, a razón de 38 mm/año. Una imagen conocida de este fenómeno es la que resulta de observar a los patinadores artísticos que aumentan su velocidad de giro sobre sí mismos encogiendo los brazos y la frenan extendiéndolos. Se trata de un ejemplo de conservación clásica del Momento Angular L = r x mv, donde L, r y v son las magnitudes vectoriales Momento angular, distancia (al centro de giro) y velocidad, m es el escalar masa y el producto es vectorial.

El misterio de la Energía

Algunas reflexiones sobre un número

Ningún concepto físico es tan filosófico como el de Energía. ¿La Energía fluye? ¿La Energía se traspasa? ¿Ni se crea ni se destruye, tan sólo se transforma?

La Energía, en términos prácticos es aquella magnitud física que, cuando no se conserva en un proceso, suele ser el inicio de un nuevo descubrimiento. Uno que acaba definiendo un nuevo tipo de partícula o de energía que hace que finalmente todo sea coherente y podamos decir que sí, que la ENERGÍA con mayúsculas, como era de esperar, se conserva. Se han dado pasos de gigante con este método y el poder de la Conservación de la Energía es sólo comparable al del Teorema de Pitágoras de las matemáticas.

Desde luego, no es correcto decir que hay diversos tipos de energía. La Energía eléctrica, la química, la nuclear, la cinética… todas son iguales. Y, exactamente, su representación matemática es un número escalar. O sea, un número normal y corriente, de los de pagar. Porque, al final, la Energía es siempre aquello que pagamos. ¿Y se imaginan pagando 40,10 € en la dirección i, 32,50 € en la dirección j y 12,00 € en la dirección k? Por descontado, el hecho de que la Energía sea un escalar y no un vector o un tensor, simplifica muchísimo las facturas.

Así que sólo existe un tipo de Energía pero como nadie se atreve a darle un nombre –por lo trascendente y divino que resultaría- nadie habla de la ENERGÍA sino de las diversas energías de estar por casa. Pero ésta, la ENERGÍA, está siempre ahí con variadas apariencias. Sabemos también que no es un fuído, porque, en contra de la leyenda urbana, no fluye de un cuerpo a otro. La Energía no se traspasa, no es de diversos tipos y no fluye, tan sólo ES.

A la energía le pasa lo que a todo en el mundo, según el taoísmo, y es que viene a tener su contrario sin el cuál carece de entidad en la totalidad. En este caso, el contrario bien podría ser la Entropía, que nos explica la tendencia universal que tienen determinados procesos de ser espontáneos. Es decir, aquello que ocurre, lo hace en un sentido en el que la Entropía aumenta y la Energía total se conserva. O lo que es lo mismo, requerimos de la Entropía para explicar el sentido en el que ocurren las cosas y a Energía para explicar cómo ocurren. Cuando la Entropía crece en un proceso, lo hace a costa de una parte de aquél número asociado a la Energía. Con estos opuestos complementarios, como con el yin y el yang, describimos los procesos del Universo.

Ah! Se me olvidaba. ¿La Energía es la capacidad de generar un trabajo?
Esa es la definición clásica que nos dieron en la educación media.
Bien, supongamos un número al que podemos llamar "ENERGÍA TOTAL del UNIVERSO". Si ese número nos da la capacidad de hacer un trabajo, ¿Sobre Qué hace Trabajo el Universo?

(Alguien me recriminará que el Universo es un Sistema Cerrado pero considero eso tan sólo un truco dialéctico: ¿Cerrado respecto de qué?)

Algo falla en nuestras ingenuas definiciones de la Energía. Tal vez porque Energía y Tiempo van tan estrechamente de la mano -según parece indicarnos la naturaleza- que deben compartir igual de profundos misterios...

Universo y Dios

¿Puede la física sostener como teoría la existencia de Dios?

Ataquemos el tema por un camino aparentemente inconexo con la idea tradicional de Dios.

Todo está hecho de átomos, como dijo el gran físico R. Feynman (por todo, también se refería al espacio, a la energía, etc…). La combinación de estos átomos (según las propiedades químicas conocidas) da lugar a la enorme variedad biológica presente a nuestro alrededor, y a la vida consciente en última instancia.

La consciencia se mantendría en un soporte físico (aunque éste no sea suficiente para explicarla) como esa biología que podemos describir mediante reacciones químicas y señales eléctricas entre células (en concreto, la sinapsis neuronal). Las señales electromagnéticas y el estudio de los átomos darían fe de ese soporte físico de la consciencia.

Aunque, tal vez, este reduccionismo atómico no es suficiente. Quizá, como apuntan las teorías de la consciencia bajo la corriente del funcionalismo, es necesaria una cierta estructura (una disposición especial de las partes) para que aparezca la consciencia. Esta idea va más allá de las consecuencias de una teoría únicamente basada en reducir la consciencia a la suma de sus partes, de modo que nos da una visión de totalidad (holística). Así, algunas partes aparentemente no relacionadas conformarían un resultado global dando fe a algunos procesos biológicos de difícil explicación, como la morfogénesis. Abren también la puerta a la inteligencia artificial como estructura. La consciencia no es la suma de sus partes, así que el modelo reduccionista no bastaría. En algún momento, la aparición de una estructura es, en sí misma, parte del resultado global.

No obstante, después de esta reflexión sobre las teorías holísticas de la consciencia, retornemos a la física de la que somos víctimas como observadores locales –y por tanto, parciales- de lo que es la vida y la consciencia.

Consideremos la Teoría General de la Relatividad, uno de cuyos resultados son las ondas gravitatorias. Estas ondas describen una transmisión de energía (y, por tanto, de información) que viaja a la velocidad de la luz modificando la geometría espacio-tiempo. Son generadas por acontecimientos de tipo planetario, estelar y cosmológico. Por otro lado, parece que los efectos gravitatorios se hacen sentir también a escalas ínfimas del átomo. Como si su ámbito lo inundara todo: a grandes distancias (cosmológicamente) y a muy pequeñas distancias (al nivel cuántico).

Reconsideremos. La Fuerza electromagnética a nivel atómico y molecular sería la responsable de la transmisión de información en el sistema nervioso de la vida consciente que conocemos. ¿Podrían las ondas gravitatorias –a nivel cosmológico- ser el soporte informativo de un ente (quizá, el propio Cosmos) formando así una especie de análogo de lo que conocemos como consciencia? ¿Jugarían entonces los planetas, las estrellas, etc. el papel que juegan las moléculas biológicas que conocemos en nuestro ámbito local? [En la imagen, la espiral matemática en dos ámbitos muy diferentes: la doble hélice de ADN y una galaxia]

¿Es el cosmos mismo una consciencia cuyos pensamientos desembocan en lo que finalmente percibimos como leyes físicas? Evidentemente, no tenemos ninguna idea de hasta qué punto una consciencia así podría parecerse a lo que conocemos (o, más bien, desconocemos) como consciencia. Nuestra percepción de la consciencia es esclava de sí misma, y a la vez todo parece indicar la existencia objetiva de la Realidad, de la causalidad, la percepción del tiempo y del espacio, etc.…temas ampliamente obsesivos para nosotros como especie consciente.

Imaginemos por un momento la existencia de otro tipo de consciencia, que no perciba el tiempo de igual modo (debido a su ámbito global, y sea lo que sea el tiempo) y que esté, quizá, por encima de la causalidad de un modo que no podamos entender… ¿es esa una nueva imagen de Dios que la ciencia pudiera admitir en el futuro?

Si así lo fuera, la correspondencia con muchas religiones es directa: Dios nos ha creado, está en todas partes y sus caminos son inescrutables...

Cuerdas, música y matemáticas

¿Qué hace que una combinación particular de sonidos nos resulte agradable (con-sonante) o desagradable (a-sonante)? ¿La cultura?¿La ideología?.

Desde luego, hay una mezcla inseparable de muchas cosas, pero a un nivel profundo, una esencia parece regir nuestro placer auditivo…¡una esencia matemática!

Armónicos y Pitagóricos

Nuestra cultura occidental atribuye a Pitágoras (o más bien, a su escuela) el descubrimiento de que el sonido obtenido tras pulsar una cuerda fijada por dos extremos y fijada a la mitad de distancia, resulta el mismo sonido, pero más agudo. La nota es la misma, una 8ª más alta. Y ¿por qué nos parece el mismo sonido?

Si el sonido se produce por una vibración periódica del aire, podemos idealizarlo como una onda propagándose. Las ondas se caracteriza por su Longitud y Frecuencia. La Frecuencia es el número de veces que se produce la oscilación por unidad de tiempo. De este modo, cuando escuchamos dos sonidos cuyas oscilaciones vibran con igual frecuencia o con frecuencias que se complementan, nos resultan armónicos.

Supongamos dos notas simultáneas, A y B. La A es una onda de presión que vibra el doble de veces que la B. Esto hará que la nota resultante A + B tenga una onda periódica en la cual encajan perfectamente las dos ondas originales. Por cada 1000 veces que la onda de presión de la nota A excita nuestro oído, la de B lo excita sólo 500 veces. Así, la periodicidad de A contiene a la de B. Por decirlo de un modo atrevido: la sensación que obtenemos al escuchar la nota A contiene a la sensación de escuchar la B. Este hecho es, en términos matemáticos, geométrico. Vemos que hay un factor 2 multiplicativo. Para que ocurra esta maravilla perceptiva hablamos siempre de mitades o dobles.

Bien, en este ejemplo, las dos notas A y B son por tanto armónicas. Pero no son las únicas. El cerebro interpreta que son la misma nota, pero otras muchas notas intermedias entre A y B también nos resultarán agradables (armónicas) siempre que la diferencia de frecuencias permita que las ondas se complementen, justamente, según las relaciones de enteros encontradas por los pitagóricos.

Por otro lado, cuando dos ondas tienen frecuencias ligeramente diferentes, la onda resultante tiene puntos de anulación produciéndose la sensación auditiva de latido o latencia. Este hecho es utilizado por los músicos expertos para afinar los instrumentos.

Más razones

Como hemos dicho, estas relaciones entre las ondas se ve traducida, en tiempos de los pitagóricos a relaciones numéricas (razones).

De este modo, la 4ª de una nota se encontraba reduciendo la distancia a ¾ de la original, la 5ª a una distancia de 2/3… Las 7 notas podían encontrarse mediante razones de enteros. Finalmente, la 8ª se encontraba a una distancia de 1/2, es decir, a la mitad de la original. Y así, podemos construir la llamada escala diatónica. (Equivale a las teclas blancas del piano) [Más detalles de cómo construir la escala de este modo, aquí.]

No sólo esto, el sonido producido por una cuerda (de longitud L) no se corresponde con una única forma de vibrar. De hecho hay infinitos modos de vibración simultáneos. Ahora bien, no todos vibran con igual intensidad. El primer modo (n=1) se corresponde con la cuerda vibrando en toda su extensión y es el más intenso; el segundo modo (n=2), con la cuerda vibrando a la mitad y un punto fijo en medio, es decir, con una longitud de onda la mitad de la del primer modo: nos da la 8ª; el tercer modo (n=3) oscila con una longitud de onda igual a 2/3 de L: nos da la 5ª de la fundamental, etc… Estos modos de vibración son los denominados Armónicos. Son prácticamente inaudibles, pero no totalmente.

Resulta sorprendente cómo la matemática hace de sustrato en el comportamiento de la naturaleza. Cómo los números y las razones entre ellos emanan del estudio detallado del sonido. El estudio de la música es el estudio de la combinación de sonidos y pasa por una numeración, ya sea de crestas de ondas o de longitudes de cuerdas o de tubos.
Las fracciones de enteros, en este caso están íntimamente relacionadas con algo tan metafísico y espiritual como el placer auditivo, que parece no poder ubicarse en ninguna parte…

Del mismo modo, las modernas teorías de cuerdas utilizan el concepto de armónico para dar cuentas de las partículas del modelo estándar. Así, cada partícula sería una especie de modo de vibración armónico de una cuerda. Quizá Pitágoras no estuviera tan desencaminado y el silencio de la noche no sea ni más ni menos que una especie de música celestial… Y quizá sus teorías estén en con-sonancia con las nuestras...

Lecturas recomendadas...

Me gustaría recomendar dos libros muy interesantes:

La ecuación jamás resuelta de Mario Livio y El camino a la realidad de Roger Penrose.


La ecuación jamás resuelta trata como tema central el concepto de simetría, tanto desde el punto de vista matemático como el perceptivo. Entre otras cosas, narra los acontecimientos de las vidas de Abel y Galois, ambos genios matemáticos que murieron muy jóvenes, y cuyos trabajos -mirándolo con perspectiva- han revolucionado las matemáticas y por extensión la física y todas las ciencias, pese a que no fueron muy reconocidos en vida. La importancia matemática de la simetría y su relación con la teoría de grupos -elaborada inicialmente por Evariste Galois- se ve más tarde aplicada con un éxito sin precedentes por la física relativista, cuántica y las teorías de cuerdas. (Tal vez, sí había un precedente anterior de gran éxito de una teoría matemática aplicada a un problema físico posterior: la geometría diferencial de la relatividad general). Curiosamente, la teoría de grupos surge como herramienta para demostrar la irresolubilidad de la ecuación de 5º grado y superiores, y de la forma más imprevista...

Resulta inquietante pensar cómo nuestra atracción por la simetría (en tanto que producto de la psicología evolutiva) pudiera estar relacionado con el hecho de que nuestra comprensión del Universo pasa por "exigir" simetrías a las teorías físicas. Este método de trabajo está resultando muy exitoso, como si a un nivel profundo la búsqueda de simetrías fuera una marca de fábrica en el funcionamiento tanto del Universo como de nosotros mismos.
Y, por otro lado, no sería tan extraño que fuera así. ¿Acaso no somos también Universo?

Ahora bien, uno podría plantearse la cuestión siguiente. Si hubiéramos evolucionado de un modo en el que la simetría bilateral no hubiera sido tan determinante en nuestra psicología, ¿podríamos entender igualmente el Universo al mismo nivel que lo entendemos ahora sin aplicar las teorías de la simetría?

Si la respuesta es que sí, nos enfrentamos al hecho de que hay diversos modos de describir el Universo, todos igualmente válidos y que dependen del proceso evolutivo de quien los aplique. La Matemática no sería entonces Universal, tan sólo el resultado arbitrario de un camino alternativo por el que estamos avanzando...

El otro libro, el mastodóntico El camino a la realidad es una joya de la divulgación de la matemática y la física. Digo divulgación, pero el nivel técnico general del libro y el uso constante de conceptos de matemáticas abstractas lo hace bastante inaccesible al lector no familiarizado con ellas.

Su lectura es un placer de gran duración, pues es más un libro de consulta y estudio que un ensayo divulgativo. (Para los más quisquillosos: el título del libro es cosa del editor, no del autor, como Penrose mismo comenta humildemente... :-))

Gracias, R. Penrose.

El experimento de la doble rendija o de Young (II) -Vídeo

¿Qué es la materia? ¿Ondas o partículas? y, ¿qué efecto tiene el observador sobre ella?

Encontré este video didáctico sobre el experimento de la doble rendija. Es realmente bueno, y explica la dualidad onda-partícula y el efecto del observador en la Mecánica Cuántica.

Solución nº8: Telemetría láser

Transcribo:

"Tras quejarme amargamente de la incompetencia de la gente, paso a utilizar el barómetro como moneda de cambio por un telémetro láser. Su funcionamento mas sencillo y infinitamente mas preciso le hacen mejor candidato para la tarea en cuestión. Seguidamente procedo a subir a la azotea del edificio y apuntar al suelo, gracias al emisor láser y al procesador que calcula la diferencia de frecuencia me informa de la altura del edificio..." (Sheldon)

Gracias, Sheldon.
No obstante, sólo si tuvieras una velocidad relativa al suelo observarías una variación en la frecuencia del láser y esa variación te daría información sobre la velocidad relativa, no sobre la distancia (efecto Doppler relativista). Más bien, el telémetro láser o bien estima el tiempo de retorno con un pulso reflejado (y así calcula la distancia recorrida) o bien la diferencia de fases con un haz continuo. La frecuencia sigue siendo la misma. A no ser, claro, que quieras tener en cuenta el corrimiento al rojo gravitatorio descrito por la Relatividad General, pero eso ya sería otro sistema más sofisticado y no creo que fuera aplicable en la situación que nos ocupa. :-)

Si lo que pretendías era ganar el jamón, vas bien, pero te invito a seguir intentándolo...

Sobre el pensamiento fraccionario y la Totalidad (II)

Algunos ejemplos de pensamiento fraccionario

Parece que muchas fronteras impuestas inicialmente por el sentido común o la lógica (recordemos que el sentido común y la lógica serían productos de la Primera Fragmentación de la Totalidad) han ido diluyéndose tras un estudio más detallado y profundo. El progreso en este sentido es relativo, ya que unas fronteras han sustituido a otras. Por tanto, no se progresa eliminando fragmentaciones sino llevándolas –en muchos casos- de lo general a lo específico. La resistencia natural a transformar una fragmentación se sostiene habitualmente mediante un truco de la lógica autoconsistente que describiré más adelante.

Mundo sublunar / Mundo supralunar

Ésta es la clásica frontera aristotélica entre lo que se corrompe, lo mortal (lo que está debajo de la luna, el mundo terrestre) y lo eterno, lo divino (lo que está más allá de la luna, el mundo celeste: las estrellas fijas y los planetas). Esta fragmentación nos lleva a pensar que las propiedades y leyes de estos diferentes mundos son también diferentes. Aunque pudiera sostenerse que existía una influencia del mundo supralunar hacia el sublunar, esta influencia no se daba en sentido contrario por lo que ninguna relación podía extraerse que unificara el saber de un mundo con el otro.

Esta concepción será insuficiente cuando se estudien nuevos fenómenos gracias a instrumentos como el telescopio, que pondrá en evidencia que pueden existir explicaciones también basadas en la lógica que unificando los dos mundos en uno sean más satisfactorias (den cuenta de más fenómenos y de un modo más simple). La unificación más evidente se dará con la teoría de la gravitación universal de I. Newton.

Mundo Humano / Mundo Animal

Esta frontera separa lo que se suponen cualidades únicamente humanas del resto de la naturaleza. Es decir, tras observar el comportamiento y cualidades en nosotros mismos se llega a la conclusión de que todo aquello que no es nosotros mismos (el resto de seres vivos) no las tienen. Y no las tienen porque no son humanos y lo humano es aquello que -mediante ciertos criterios- sí vemos en los humanos. Aunque pueda parecer una tautología, es lógico llegar a esta manera de pensar, del mismo modo en como Aristóteles veía la corrupción de los cuerpos debajo de la luna pero nunca encima.
De nuevo, un estudio detallado de la naturaleza engrosa la lista de observaciones difíciles de explicar mediante esta simple fragmentación. La Teoría de la evolución por selección natural rompe parcialmente esta concepción, siendo –todavía hoy- perseguida y ridiculizada por ser contranatura. Lo que es natural, por tanto, equivale a lo que es fraccionario, porque es la fragmentación de la realidad la que nos define inicialmente como seres conscientes. Ir en contra de esa fragmentación (Humano/Animal) es tratado casi de forma instintiva como antinatural.

Otra manera de fraccionar más sutilmente la realidad es pensar que aún teniendo una evolución u origen común y aceptando que leyes iguales pueden regir a humanos y no humanos, el humano dispone de cualidades exclusivas que no se dan en ningún otro animal: la moralidad o la capacidad de simbolización. De nuevo, lo natural es pensar así, ya que la postura fraccionaria facilita u origina finalmente la empatía, y los principales destinatarios de esa empatía son el resto de individuos humanos. Lo lógico es ver ahí, en los propios individuos humanos, una persistente fragmentación con el resto de seres vivos.

Las teorías que admiten las raíces de la moralidad en primates quedan replicadas con el argumento de que es nuestro prisma humano el que nos hace ver similitudes entre los animales y los humanos, pero que eso no implica que las haya. Contra el argumento de que todas las interpretaciones que podamos hacer de nuestro estudio de los animales están contaminadas de nuestra propia humanidad, poco puede decirse.
Ahora bien, si aceptamos como cierto ese argumento llegaremos a la conclusión de que el mero hecho de afirmarlo es producto de esa misma contaminación de nuestra humanidad, porque sino, ¿cómo estando permanentemente influenciados por nuestra visión de nosotros mismos podemos llegar a la conclusión de que estamos permanentemente influenciados por nuestra visión de nosotros mismos? El propio argumento, sin duda, es también resultado de nuestra imparcial mirada hacia el mundo y así ad infinitum. Este aparente callejón sin salida es insalvable desde la lógica aristotélica de la fragmentación porque utiliza una nueva lógica de carácter autoconsistente, en la cual aquellos elementos expuestos en el esquema de la Primera fragmentación de la Totalidad del anterior ensayo no son válidos. Escapamos así de la posibilidad de huir de la fragmentación.

Por un lado, mediante la lógica clásica fragmentamos la realidad; por el otro, mediante una lógica autoconsistente, argumentamos que esa fragmentación es insalvable. He ahí el quid de la cuestión y la solución al problema. En mi opinión, el origen de la fragmentación y su defensa argumentativa se apoyan en lógicas diferentes, lo cual -de algún modo- invalida las reglas del juego. Una analogía de esto sería:

Conclusión de la Lógica 1: Existe B y C, luego definimos que A = B + C
Conclusión de la Lógica 2: Todo es A.

Si manejamos ambas conclusiones, vemos que en algún momento perdemos la capacidad de referirnos a B y a C, puesto que todo es A. Pero si todo es A, según la Lógica 1, todo es B + C. Pero según la Lógica 2, B y C no están definidos, sólo lo está A...
Se trata de una aparente desfragmentación sobre la fragmentación, diferente de lo que sería la vuelta a la Totalidad desde la fragmentación.

Sobre el tema de los mundos humano/no humano, cabe decir que cualquier teoría que pretenda unificar ambos y dar una explicación continua (en el sentido de una función continua matemática) de todo lo biológico, es igualmente fraccionario. La realidad biológica, por ejemplo, se fragmenta en especies. Una especie termina y comienza otra. Esta frontera, basada en criterios reproductivos (miembros de 2 especies distintas no pueden reproducirse) fragmenta la realidad poniendo un límite arbitrario, aunque evidentemente útil para su estudio. También fragmentamos la realidad en genes distintos, intentando describir el proceso en el que un gen difiere de otro, llegando hasta el último infinitesimal paso que lo hace diferente a nivel molecular si es preciso. Y al final nos toparemos con el concepto de átomo, y luego, de partícula, que es una de las fragmentaciones en las que se basa el paradigma físico actual.

Mundo partícula / Mundo No partícula

Lo natural es, de nuevo, reproducir nuestra visión cotidiana hacia lo que no percibimos cotidianamente. Y lo que no percibimos es lo más grande y lo más pequeño. Hacia lo más pequeño, los componentes últimos de todo lo que vemos aplicamos la fragmentación de pensar lógicamente eso: que hay componentes últimos, y que su suma o unión da cuentas de todo lo demás.
Así, llegamos al concepto de partícula (heredero del atomismo de Demócrito), confirmado incesantemente por las observaciones, tras las que asignamos propiedades y cualidades a unos componentes cuya razón de ser es en última instancia, arbitraria. Porque, ¿qué es aquello que no es partícula? El espaciotiempo es el marco conceptual en donde colocamos nuestra fragmentada realidad y a la vez, el marco y el contenido son en sí mismos el resultado de otra fragmentación.
Observaciones más detalladas –y aquí, más que observaciones son especulaciones matemáticas- nos hacen creer que una descripción más elaborada del espaciotiempo y de las partículas nos llevaría a unificar ambos conceptos, siendo estas últimas algo así como estados dimensionales especiales del espaciotiempo. De nuevo, parece que puede superarse la fragmentación! Pero surge, como siempre una nueva fragmentación: la que fragmenta el Todo en dimensiones. Una dimensión, otra dimensión, etc… hasta 10 ó más dimensiones en algunas teorías.
Como siempre, hemos pasado de una fragmentación a otra, aunque mucho más específica, más especulativa…
Y de nuevo, la pregunta: ¿es posible escapar de todas las fragmentaciones y obtener algún tipo de visión de la Totalidad?...

(continuará)

Agradecimientos: a las aportaciones de Edmundo V a través de sus discusiones, tras las que salimos y volvemos a nosotros mismos transformados, mediante la dialéctica.

Sobre el pensamiento fraccionario y la Totalidad

Según D. Bohm, nuestra visión de la naturaleza es engañosamente fraccionaria. La manera como manejamos nuestros conceptos – incluido el hecho de manejar conceptos diferenciados- nos hace incurrir constantemente a una fragmentación de la realidad que nos lleva a conclusiones poco satisfactorias como, tal vez, esté ocurriendo actualmente con las teorías cuánticas y las del estudio de la conciencia. (Como, por ej., pensar que existen partículas y que son algo diferente del espaciotiempo, o que los pares de fotones opuestos son dos partículas diferentes)

Tal vez, todo comenzó con el reconocimiento de uno mismo. En algún momento de nuestra evolución, uno de nuestros antepasados comenzó a sentirse parte divisible del entorno. Él era él, diferente de lo que no era él. Aquí comienza la aceptación consciente de la primera fragmentación de la realidad. (Lo anterior a ello, podemos llamarlo, entonces, Totalidad). Esta fragmentación, es comienzo de lo que luego llamamos lógica clásica o aristotélica con toda su retahíla de silogismos, que utilizamos habitualmente para entender nuestro mundo.
Me gustaría discutir este tema y aportar algunas reflexiones personales en un primer ensayo de tipo, novedosamente para mí, filosófico.

Primera Fragmentación de la Totalidad

Un ejemplo de cómo se desvanece la Totalidad podría ser el siguiente:

T es la Totalidad
Y es el individuo consciente
N es lo que no es el individuo consciente.
T = Y + N (aquí, la suma denota unión de conjuntos)
Por otro lado, si algo no pertenece a Y , es que pertenece a N
Si algo no pertenece a N, es que pertenece a Y.
Todo es o Y o N.
Nada es Y y N.

A veces, se pretenden buscar otras maneras de pensar entre miembros de nuestra misma especie, lo que invalidaría la universalidad de la lógica. Se trata de exponer ciertas premisas a individuos de diversas culturas para ver si utilizan el mismo silogismo que nosotros.

Al exponer,
Si llueve mucho, crece el maíz.
En América llueve mucho.
¿En América crece el maíz?
La respuesta de determinados pastores alejados de la contaminación lógico-filosófica occidental es la siguiente:
"No lo sé, nunca he estado en América."

Este experimento social se pone frecuentemente como ejemplo de que el silogismo básico de la lógica aristotélica no es Universal o al menos, debemos tratarlo con cierta relatividad en nuestros juicios.
Personalmente estoy en desacuerdo con esa afirmación. Los pastores del ejemplo están utilizando exactamente nuestro mismo silogismo. Están pensando lo siguiente:
“Si hubiera estado en América sabría si crece el maíz. No he estado en América. Luego, no sé si allí crece el maíz.”

Pare ellos, la premisa de que la lluvia hace crecer el maíz no es tan relevante como la de haber estado allí. El haber estado o no allí te aporta un conocimiento más fiable para saber si crece o no el maíz. En definitiva, el silogismo, la lógica subyacente, es la misma, sólo hay una diferencia en la jerarquía de importancia dada a las premisas. En mi opinión, somos el resultado de aquella primera fragmentación que nos hizo autoreconocernos como diferentes al resto y vivimos inmersos en ella con una base lógica común.

[Al hablar de autoreconocimiento, no me refiero al sentido de consciencia reconocida en otro de Hegel, sino a una primera separación del yo respecto del resto]

Un esquema aventurado

Esta manera de pensar, la fraccionaria, es quizá la vía evolutiva que nos permite vivir y ser empáticos con el resto. La visión de lo que es diferente a nosotros (a nivel consciente y deliberado) nos aporta la capacidad de ponernos en el lugar del otro, de imaginar lo que el otro va a experimentar en respuesta a determinados actos, tanto si es placentero como doloroso. Aquí, en mi opinión, reside la raíz de lo que luego, llamaremos conducta moral. La conducta empática, presente en humanos, y otros simios, sirve de trampolín para la riqueza conceptual de la ética social: conceptos como lo bueno, lo malo, el sentido común, etc…

Me siento tentado a esquematizarlo:

Consciencia de uno mismo -> Fragmentación -> Empatía -> Etica/Moral

Dónde situar el lenguaje, tan evidente en los humanos, será tema de otro ensayo. En mi opinión, lo que llamamos lenguaje lo relacionamos con un concepto engañoso, fragmentando también la realidad y poniendo un límite arbitrario entre lo que es lenguaje y lo que no lo es.
Pero es que siempre vamos a caer en la fragmentación. Volvemos a ver causas y efectos de un modo engañoso en este esquema. La consciencia no causa la fragmentación, tal vez lo que ocurre es que es la fragmentación misma. Es nuestro lenguaje el que una y otra vez nos fragmenta la realidad. Pero evidentemente, nosotros no percibimos la fragmentación como tal, ya que para ello, deberíamos ser conscientes de la Totalidad, que es justamente lo único que no podemos ver de un modo consciente, ya que la consciencia misma sería el comienzo de la negación de la Totalidad y la aparición de la primera fragmentación… ¿Es todo esto un simple juego mental o podemos obtener algún conocimiento válido de nuestras reflexiones?

De algún modo, la lógica de la fragmentación es el avance consciente para estar consciente, para que la consciencia cumpla su función (Y aquí hay un prejuicio del lenguaje, el de que todo tiene una función). Y viceversa, si no hay consciencia no puede haber lógica de la fragmentación, puesto que todo es Totalidad.

Evidentemente, el lector de estas líneas puede alegar que el concepto mismo de Totalidad, T es el resultado de una reflexión hecha desde la fragmentación, de la que no conseguimos desprendernos. Totalmente cierto. ¿Es entonces posible escapar del pensamiento fragmentario manteniendo la consciencia de uno mismo? Si intentamos responder a esta pregunta desde la lógica aristotélica, nuestra respuesta será negativa…

(continuará)

Principio de Equivalencia antes de la Relatividad General

¿Caen todos los cuerpos del mismo modo?

Cuando G.Galilei escribió su libro “Sobre el movimiento naturalmente acelerado”, aun sin tener claro el concepto de aceleración que hoy utilizamos, ya estaba manejando una genial intuición.
La de que todos los cuerpos (graves) caen del mismo modo. Esto se traduce en su frase: los espacios recorridos en la caída [desde el reposo] son como los cuadrados de los tiempos.




Nosotros diríamos que



siendo a la aceleración de la gravedad, unos 9,8 m/s², igual para todos los cuerpos.
Entonces, ¿la caída de un cuerpo no depende de su peso (nosotros diríamos, masa)? ¿No cae más rapido un cuerpo doblemente más pesado que otro? Es decir, observando nuestra fórmula, a es siempre la misma en un punto del espacio?
Veamos por un momento el legendario –por improbable- experimento de dejar caer dos cuerpos desde la torre de Pisa.
Consideremos dos cuerpos de masas m y m’= 2m dejados caer desde igual altura.
Durante su caída lo que va a ocurrir puede explicarse como si existiera una Fuerza de Gravitación (no olvidemos que son graves) que les atrae en dirección al centro de la Tierra (en la práctica cotidiana, hacia el suelo en línea recta). Esta fuerza puede describirse como

Donde M y m son las masa de la Tierra y del grave, r la distancia y G una constante de proporcionalidad.

Ahora bien, toda fuerza aplicada sobre un cuerpo, sea la de Gravitación, eléctrica o de cualquier otro tipo, implica la aparición de una aceleración. Esta aceleración se ve contrarestada por la masa del cuerpo. De modo que, a igual Fuerza aplicada, cuanto mayor sea la masa, menor será la aceleración resultante, ya que su producto debe ser el mismo. Esta es la 2ª Ley de Newton.

Así, podemos entender la masa, como una medida de la resistencia del cuerpo a ser acelerado.

Tras estas consideraciones, veámos cuál es la aceleración que se imprimirá en nuestros dos graves, dejados caer. En este caso, podemos igualar ambas fórmulas, ya que la única fuerza que actúa es la de Gravitación y debe cumplir también la 2ª Ley de Newton.
Así que, vemos que:

Las aceleraciones son iguales. Como el tiempo que tardarán en caer depende de la velocidad y ésta de la aceleración, ambos cuerpos caerán a la vez, independientemente de su masa. Ahora bien, lo que ocurre en la caída de los cuerpos no puede describirse sólo como si se vieran acelerados por una Fuerza Gravitatoria y desacelerados por una 2ª Ley de Newton. La caída acontece en un medio fluído, la atmósfera, que ofrece una resistencia adicional al paso del cuerpo. Esto se ve traducido en una fuerza en sentido contrario de la dirección de caída y que depende de la velocidad de caída, de la forma del cuerpo y de la densidad del aire. En ausencia de atmósfera, por tanto, todos los cuerpos caerían a la vez.

Observemos ahora las fórmulas (1) y (2). No hemos dudado en sustituir una en otra porque estábamos convencidos de que la Fuerza era la misma en ambas. Ahora bien, hemos procedido también de un modo totalmente gratuito pensando que ambas masas, la m de la fórmula (1) y la m de la fórmula (2) se refieren a la misma magnitud física. ¿Debería de serlo, a priori? El actuar así nos ha permitido obtener el resultado final, ya que hemos eliminado las masas de numerador y denominador como si fueran la misma. (De hecho, en nuestro ejemplo hemos simplificado el factor 2 arriba y abajo. Poder hacerlo implica que las masas m de arriba y abajo son la misma)

En verdad, podríamos llamar a la masa de (1) como gravitacional, ya que tiene que ver con la Fuerza de Gravitación, y a la masa de (2) como inercial, ya que actúa como una resistencia a acelerarse, es decir, se resiste a dejar su estado de inercia inicial.
Si admitimos nuestro resultado dando por buenas nuestra ley de caída de graves y nuestras leyes de inercia y Gravitatoria, llegaremos a la conclusión de que, si podemos actuar así, es porque

Masa gravitacional = Masa inercial

Lo que más tarde, A. Einstein describiría como la intuición más maravillosa de mi vida, consistió en la visión de extrapolar este resultado al ámbito de los sistemas de referencia en su teoría de la Relatividad, entre otras consideraciones.

La igualdad entre ambas masas podía hacer pensar que no hay manera de diferenciar -localmente- un sistema en un campo gravitatorio de otro que esté acelerado en dirección opuesta, sea cual sea la causa de la aceleración. Hay por tanto una equivalencia entre esos sistemas. Esta intuición dotaría de sentido la anterior igualdad entre masas, de modo que podríamos concebir una teoría que incorporase esta nueva relatividad entre sistemas de referencia. Será la Teoría de la Relatividad General, en la cual el espaciotiempo plano Minkowskyano de la Relatividad Especial se ve curvado como consecuencia de los campos gravitatorios. La gravedad (antes, la tendencia de los graves a caer) no requiere ya ser descrita como una fuerza a distancia sino como una deformación de la geometría del espaciotiempo. Y ahora, es la caída libre la que define al sistema inercial, libre de fuerzas y con el campo gravitatorio anulado. Así que, como la equivalencia es local, podemos aproximar el espaciotiempo curvado por el espaciotiempo plano de minkowsky, de igual forma a como podemos colocar un plano sobre el punto de una esfera y aproximar la descripción de los alrededores de ese punto a un mapa o carta local plana...

Experimento de Young casero (I)

Interferencias en el garaje con un nivel de paleta...

Paso 1: Láser
Me quedé con las ganas de comprobar, por mí mismo, la belleza de la Fase 1 del artículo anterior. Es decir, las interferencias de la luz al paso por dos rendijas. Para ello, lo más sencillo es usar un láser, de los que hay muchos y baratos. Así que fui a la ferretería de mi barrio. Expliqué al dependiente para qué lo quería y después de flipar un poco, me enseñó el que veis en la imagen. Sí, sí, es un nivel de paleta, de toda la vida, con sus burbujitas de agua. Pero, además, dispone de un pequeño láser rojo de longitud de onda l = 650 nm, para marcar paredes y estructuras al mismo nivel. Cómo mola, y con trípode y todo!

Paso 2: Cartulina negra y rendijas
Lo siguiente es hacer dos rendijas paralelas en una cartulina, muy juntas, ya que el haz del láser tendrá que pasar a la vez por las dos. En este caso, la separación fue de 1,3 mm (de 1 a 1,5 mm) de separación d, con mi habitual superprecisión.

Paso 3: Observación final
Por último, debemos situarlo todo de manera que observemos la luz proyectada en una pared o pantalla a varios metros de distancia. El dispositivo fue el de la imagen...

Y Eureka! En la pared, a unos 5,51 m de distancia D de las rendijas, se pueden observar las interferencias claramente. La separación entre 2 máximos (entre el centro de la franja de luz central Po y el centro de la siguiente) es de 2,5 mm (de 2 a 3 mm). Veamos si concuerda con la teoría de Young.

Según Young, se observará un primer máximo P en la pared a una distancia y del máximo central cuando la diferencia de caminos recorridos por la luz sea igual a nl, con n=1 y l=longitud de onda de la luz. (Ver esquema, donde l es la letra griega lambda. Lo he extraído de por aquí)

Con un poco de trigonometría, igualando las tangentes de Ø de los triángulos S1MS2 y PNPo, vemos que y = l D / d.










Así que (pasando todo a milímetros):

y =((650 x 0,000001 x 5510) / 1,3) mm = 2,7 mm

Es decir, que a 2,7 mm del centro Po de las interferencias, encontraremos la siguiente franja iluminada. Esto se corresponde bastante bien con mi medida de 2,5 mm (entre 2 y 3 mm)

COMENTARIOS: El error es grande, ya que el dispositivo es muy, pero que muy, casero y he medido con una regla de esas que ya tiene desgastadas las rayas, de unos 15 años de antigüedad :-) Con medidas mucho más precisas de las distancias d, y, D, podemos usar este dispositivo para determinar las longitudes de onda l de diversos haces, ya que:

l = d y /D

También podemos variar la distancia d entre rendijas y comprobar cómo aumenta y.

Por último, cabe decir que sin una teoría ondulatoria sería muy difícil explicar lo observado. La diferencia de caminos de la luz hasta llegar a la pared está claramente relacionada con la aparición de máximos y mínimos. Y vemos que los máximos (interferencia constructiva) aparecen cuando esta diferencia es n veces la longitud de onda. Es decir, llegan a la vez dos crestas de la onda, o dicho de otro modo: las dos ondas (que emergen de S1 y S2) están en fase.

El experimento de la doble rendija o de Young

8 visiones del mismo fenómeno

Una fuente de luz coherente y monocromática (imaginad un láser) pasa a través de dos rendijas. La distancia entre las rendijas es tal que se produce el siguiente efecto: En una pantalla posterior, a una cierta distancia, vemos cómo la luz crea una figura muy bonita llamada de interferencia, donde hay lugares con mucha luz, otros con menos luz y otros sin luz! (Fase 1)

Si hacemos pasar la luz sólo por 1 rendija, el resultado es similar a si enviáramos balas o partículas (Fase 2) aunque también hay una cierta difracción en los bordes... Si repetimos la Fase 1 con detectores en las rendijas para saber por cuál pasó, desaparece la interferencia y la luz parece volver a comportarse como partículas... (Fase 3)

Podeis ver una animación de la Fase 1 aquí.

Veamos la explicación que darían del fenómeno algunos científicos. Éste es un ejercicio de ficción, naturalmente. En las explicaciones, pretendo resaltar los conceptos importantes de las teorías de cada uno, lo que no significa que no aceptaran parte de las teorías de otros o que su pensamiento no cambiara a lo largo de su vida científica…

I. NEWTON. La luz está compuesta de partículas materiales (corpúsculos). Estos corpúsculos se propagan en línea recta a una velocidad muy grande. No hay una explicación satisfactoria para describir la figura de interferencia de la fase 1. No obstante, es evidente que al pasar por una sola rendija, la luz se comporta como partículas en la fase 2. La fase 3 era de esperar, porque el que detectemos o no el paso de la luz por las rendijas no debe cambiar el comportamiento de los corpúsculos de luz. Es realmente misterioso que aparezca interferencia si no detectamos el paso de la luz (fase 1) y que no aparezca si lo detectamos (fase 3)…

C. HUYGENS. La luz es una Onda. Dependiendo del punto en que coinciden 2 ondas de luz pueden obtenerse máximos y mínimos en función de la diferencia de caminos (que implica una diferencia de fases) de las ondas que interfieren. Esto explica claramente la figura de interferencia de la fase 1 y la difracción en las fases 1 y 2. No obstante, no se consigue explicar por qué al detectar el paso de la luz por una de las rendijas, de pronto, ¡cambie mágicamente su carácter de onda y deje de producir interferencias!

A. EINSTEIN, L. DE BROGLIE. Dualismo Objetivo. La luz son ondas y partícula reales. No sólo la luz, también todas las partículas atómicas comparten esa dualidad. La Onda es un ente extenso. Esto queda evidenciado en la figura de interferencias observada en la fase 1, al estilo de la teoría de C. Huygens. Ahora bien, la energía de la onda no está diseminada a lo largo de la misma, sino que se concentra en el espacio, y estas concentraciones son denominadas fotones, idea utilizada por vez primera por M. Planck en su estudio de la radiación de un cuerpo negro. Esto explicaría la fase 3, en la que el comportamiento de la luz es claramente corpuscular. Lo extraño es la comparación entre la fase 1 y 3. Debe haber una descripción más exacta de lo observado que no implique la acción del observador, ya que existe en la naturaleza una realidad objetiva e independiente. Cualquier mecánica que se formule debe tener variables que permitan la existencia objetiva de las partículas como el fotón.

E. SCHRÖDINGER. Onda objetiva. La Onda es Real y se describe mediante una función Phi compleja que es solución de una ecuación diferencial. En esta ecuación está contenida la información energética del sistema. Esto explica la fase 1.
El carácter corpuscular -lo que Einstein denomina fotón- puede explicarse como un paquete de ondas guiado por la misma onda. Por lo tanto, una descripción ondulatoria más elaborada sería suficiente para explicar la fase 2.
La fase 3 implica al observador. No está claro cómo compaginar eso con una descripción puramente ondulatoria…

M. BORN. Ondas de Probabilidad. La función Phi de Schrödinger no es real ya que no puede asociarse de un modo satisfactorio a la posterior localización del fotón. Phi se interpreta como una densidad de probabilidad, cuyo cuadrado nos da la probabilidad de presencia del fotón. Esta interpretación sí se ajusta correctamente a los resultados… No hay problema con las fases 1,2 y 3 si aceptamos la elavoración de una mecánica que sea probabilística y que tenga en cuenta el efecto del observador.

N. BOHR. Principio de Complementariedad. Las apariencias de onda y de partícula de los sistemas cuánticos (como la luz) son sólo aspectos complementarios y excluyentes de una misma realidad. No hay onda ni partícula, sino una realidad que nos es revelada de un modo u otro sólo mediante el experimento adecuado. No puede asociarse ninguna realidad al fotón si no se efectúa una medición sobre él. En este experimento estamos midiendo al fotón de dos maneras -con detectores (en la fase 3) y con una pantalla final en la cual inciden en una posición concreta (fases 1,2 y 3)-. Sólo en esos instantes puede hablarse de realidad asociada al fotón. Por tanto, debemos transformar nuestro concepto de localización real del fotón. Todo lo que no sea descrito mediante un experimento que incluya el efecto del observador no es válido. El que haya una realidad subyacente independiente de la observación es una opinión íntima que no debe ser objeto de la ciencia experimental.
Así se explican las fases 1,2 y 3. La teoría de Schrödinger es incorrecta; se admite la interpretación probabilística de Born.

W. HEISENBERG. Principio de Indeterminación. Admite que la Indeterminación es un caso particular del Principio de Complementariedad de Bohr. La naturaleza excluyente de los aspectos de onda y partícula hace que ciertas cantidades (Observables) no commuten entre sí cuando son medidas. El producto de la indeterminación en los resultados de medir simultáneamente dos cantidades de este tipo nunca es menor que una determinada cantidad, que depende del cuanto de acción de Planck, h. Esto explica las fases 1,2 y 3. A partir de ahí, cualquier cuestión epistemológica sobre el tema es secundaria, lo importante es que las matemáticas funcionan!

R. FEYNMAN. Integral de todos los caminos posibles. La luz se propaga por todos los caminos posibles (en línea recta, curva, etc…) y de todas las maneras posibles (con velocidad mayor y menor que c, etc...) a través de las rendijas. La probabilidad que da cuentas de la localización final de los fotones se calcula a partir de la suma de amplitudes de todos los caminos y maneras posibles. Sólo así se obtiene el resultado correcto. El resultado final es muy parecido al que obtendríamos si hubiésemos considerado sólo que la luz se propaga con velocidad c y en línea recta, aunque no es exactamente igual. Los sucesos ocurren de todas las formas posibles a la vez. De este modo, no son necesarios principios de Complementariedad ni de Indeterminación para describir la Naturaleza. Ahora bien, los cambios en las condiciones iniciales y finales de un suceso hacen que sea un suceso diferente. La detección del fotón a su paso por una de las rendijas es un nuevo suceso cuya probabilidad debe ser sumada con el resto de probabilidades. Esto explica las fases 1, 2 y 3.

Ratones, electrones y la paradoja de De Broglie

¿Cuál es el sentido de la Probabilidad en Mecánica Cuántica?

La paradoja de De Broglie fue un intento de mostrar la necesaria incompletitud de la Mecánica Cuántica. Es decir, evidenciar que la función de onda de un sistema no puede contener toda la información del mismo, a no ser que estemos dispuestos a renunciar a la realidad objetiva de los sistemas cuánticos. Para entender esta paradoja y la solución dada por la escuela de Copenhague, en mi opinión, primero debemos entender el concepto de Probabilidad de los mundos clásico y cuántico… y para ello nos va a ayudar el mismísimo Trotsky!

Un ratón escurridizo...

Consideremos a Trotsky, un ratoncito inquieto que puede moverse a lo largo de una caja grande cerrada introducida en una bolsa. La situación inicial es clara: si abrimos la caja en cualquier instante de tiempo, hallaremos a Trotsky dentro de ella el 100% de las veces. Esto puede expresarse así:

P (caja grande) = 1

Pero ésta es una caja especial, ya que podemos dividirla en dos partes cerrando una compuerta intermedia cuidadosamente (¡para evitar lastimar al ratón!)
De este modo, Iván y Edu (persuadidos por Stalin) introducen sus manos en la bolsa y dividen la caja inicial en las dos mitades A y B, siempre mediante el cierre de la compuerta con sumo cuidado. Iván se lleva la caja A a su casa y Edu hace lo propio con la B.
¿Qué probabilidad hay de encontrar al ratón en cualquiera de las dos cajas? Como hay 2 cajas posibles en las que puede hallarse, la Probabilidad en cada una es del 50%. Es decir:

P(A) = P(B) = ½

Ahora, Iván abre su caja A en un instante de tiempo t y encuentra allí a Trotsky (ver foto!). ¿Qué ha ocurrido con las Probabilidades? El conocimiento adquirido de que Trotsky se halla en A hace que la probabilidad de hallarlo en B a partir de ahora sea nula. Por lo tanto,

P(A) = 1
P(B) = 0
para todo tiempo posterior a t

Es importante ver que las Probabilidades han cambiado a partir del instante t, en el que hemos efectuado una observación y hemos obtenido más información sobre la ubicación de Trotsky. (El lector podría objetar que estamos hablando sólo desde el punto de vista de Iván, que es el que obtiene el conocimiento al efectuar la observación. Desde luego, el envío de esa información a Edu requeriría de un tiempo, a priori, no nulo.)

Y a todo esto, ¿qué podemos decir de Trotsky? Trotsky es un animalillo feliz cuya existencia no depende en absoluto del hecho de que hayan cambiado las Probabilidades P(A) y P(B), es decir, no depende de que nuestros amigos hallan efectuado alguna observación para localizarlo en sus respectivas cajas…

Un electrón aún más escurridizo...

Veamos qué ocurre cuando el objeto de estudio en este mismo ejemplo es un objeto cuántico (por ejemplo, una partícula atómica como un electrón) Ésta es la paradoja de De Broglie.

Según la Mecánica Cuántica, todo el conocimiento que podemos tener de un electrón nos viene dado por una función § llamada función de onda. [En el esquema hay otro símbolo, la letra griega phi que no pude escribir en el texto. Phi es la letra habitual]. Esta función no es directamente observable ni contrastable mediante medidas ya que se trata de una función compleja. No obstante, efectuando una determinada operación con §, en concreto, "integrando a todo un volumen el cuadrado de su módulo", sí obtenemos un número real y éste es interpretado como la Probabilidad de presencia de dicho electrón en ese volumen. Para simplificar, diremos que:

P = │§│²

Como en el caso del ratón Trotsky, supongamos un electrón en una caja de volumen V susceptible de ser dividida en dos partes. Inicialmente, la Probabilidad de encontrar al electrón en la caja tras efectuar una observación, es del 100%

P(caja grande) = 1

Ahora, dividimos la caja en dos mitades, A y B. Podemos hacerlo con menos escrúpulos que antes! Como en el caso de Trotsky, la probabilidad de hallar al electrón en cualquiera de ellas es del 50% o tal vez no, depende de si el proceso de división de la caja introdujo alguna variación inesperada. Pero eso no importa, la cuestión es que ambas probabilidades,

P(A) y P(B) deben sumar 1.

No sólo eso, sino que ahora el estado del sistema cuántico electrón se describe mediante dos funciones de onda, §a y §b, cada una de ellas definidas en los volúmenes de A y B. A priori, estas funciones no nos aportan información sobre dónde está el electrón, de modo que no podemos afirmar nada de su localización a partir exclusivamente de ellas.

Si Iván abre su caja A en un tiempo t y halla al electrón, ocurre algo aparentemente inexplicable si aceptamos nuestras premisas iniciales. Es evidente que ahora,

P(A) = 1
P(B) = 0

para todo instante posterior a t.

Podemos hallar esas probabilidades según la integral de volumen del módulo al cuadrado de §a y §b, y sabemos ahora que P(B) = 0. Entonces, P(B) =│§b│² = 0, y esto implica que §b debe anularse también para todo instante posterior a t. ¿Pero cómo hemos definido a la función de onda en general? ¿No contiene toda la información del electrón en un volumen, en este caso el volumen B?

Podríamos pensar que §b se anulaba también para todo instante anterior a t. De modo que el electrón estaba realmente en A durante todo el tiempo tras la separación de la caja. Si adoptamos este modo de pensar, -que es el que teníamos con el ratoncito Trotsky-, llegaremos a la conclusión de que la información de dónde se hallaba el electrón debía de estar contenida de algún modo en las funciones §a y §b mediante alguna variable desconocida u oculta para nosotros.

He aquí la paradoja: La función de onda contiene toda la información sobre el electrón pero ahora hemos llegamos a la conclusión de que debía de faltar algo más que desconocíamos si pretendemos afirmar que el electrón estaba realmente en un lugar u otro antes de la observación.

Dicho de otro modo, la noción de existencia del electrón (como en el ejemplo del ratón) en el espacio y el tiempo no es compatible con la premisa de que § contiene toda la información del sistema. Sólo podemos hablar de localización del electrón si éste fue observado. No es que no podamos hablar de su localización porque desconozcamos aún dónde está, sino que el concepto mismo de localización antes de la observación es incompatible con el formalismo cuántico. Debemos pues decir que el concepto real de electrón se difumina y admitir que éste existía tanto en A como en B antes del instante t, y sólo tras la observación hemos fijado su posición en A ó en B.

Por el contrario, si negamos esto y nos empeñamos en mantener una posición realista, debemos decir que la teoría cuántica es incompleta ya que § no contiene toda la información del sistema.

¿Pero, cómo demonios hemos llegado a esto?

La base de estas diferencias entre el mundo clásico y cuántico radica en nuestra definición de probabilidad. Habitualmente calculamos probabilidades según la regla

P(A) = Casos favorables / Casos posibles

Esto no tiene ninguna implicación sobre A, el suceso mismo que estamos estudiando. Aquí P(A) es un peso estadístico clásico, no es nada real y como vimos, no le suponía ningún trastorno al pobrecito Trotsky.

En cambio, en el mundo cuántico, P(A) depende de §a, por lo que un cambio en P(A) sí implica un cambio en el valor de §a, que es por definición toda la descripción del sistema mismo que estamos observando en el volumen de A. Aunque la suma de probabilidades cuánticas sea 1 y estén construidas de un modo coherente desde el punto de vista matemático, no son probabilidades al estilo clásico, sino otra cosa más profunda que roza el límite de lo real con aquello que no podemos definir...

NOTA 1: │§│² es en realidad una densidad de probabilidad, ya que si la multiplicamos por el volumen, obtenemos la Probabilidad de presencia en todo el volumen, en analogía con la densidad de masa habitual, cuyo producto con el volumen nos devuelve la masa.

Causalidad y Mecánica Cuántica

¿Ocurren los fenómenos físicos por puro azar o existen causas que los generan?

El físico actual busca causas cuando estudia la dinámica de los cuerpos cotidianos, los movimientos planetarios o la mecánica de fluidos, pero se abstiene de hacerlo cuando observa el mundo a escala atómica. En ese momento, admite que los resultados obtenidos en las diferentes medidas se deben estrictamente al azar, del todo incontrolado, aunque –eso sí- dentro de un espectro de posibilidades que podemos calcular.

Pensemos en un fenómeno atómico muy sencillo:
la desintegración de neutrones.

Estas partículas dan estabilidad a los núcleos atómicos, pero fuera de ellos se desintegran con una vida media de 900 s, dando origen a un protón, un electrón y un antineutrino. Esto quiere decir, que un neutrón se desintegrará a los 700 s, 950 s, o tal vez a los 1210 s. Si estudiamos el fenómeno con un número elevado de neutrones, el tiempo medio de desintegración será de unos 900 s.

¿Qué hace que unos neutrones se desintegren antes y otros después? ¿Son acaso neutrones diferentes o es que están sometidos a variables o causas diferentes?

La respuesta, desde hace casi unos 80 años es que, no sólo no existe causa alguna para ello, sino que la búsqueda misma de las causas contradice el formalismo matemático vigente y es considerada, por lo tanto, estéril y no-científica. Es importante observar que esta limitación de base no es debida a una limitación del instrumental o de nuestra capacidad de investigación. No se espera que con el avance tecnológico se describan las causas, sino que sencillamente, éstas no existen, en tanto que este tipo de fenómenos sólo pueden ser descritos mediante un lenguaje de probabilidades. De existir las causas, el formalismo que tan bien ha funcionado durante 80 años debería ser necesariamente incorrecto (según la postura oficial) y llegaríamos por tanto a una contradicción de gran embergadura.
La visión de la Naturaleza se vuelve, así, un tanto oscura y pesimista, en relación a la filosofía realista que en mayor o menor medida siempre había imperado durante las épocas anteriores a la Mecánica Cuántica.
La ausencia de causas, la Acausalidad es una de las bases de la interpretación imperante de esta teoría, denominada de Copenhague, debido a que el centro neurálgico de su desarrollo (al menos la parte epistemológica) se situó en aquella ciudad y fue liderado principalmente por Niels Bohr durante los años 20 y 30 del siglo XX.
En la práctica, el físico común experimenta lo que se llama una huída al formalismo matemático. Ante cualquier duda o paradoja de tipo epistemológico relacionada con el problema de la causalidad, se aferra al formalismo que es, por otro lado, muy consistente y eficaz y se muestra como uno de los mayores éxitos en la historia de la ciencia. De existir causas en los fenómenos cuánticos, deberíamos admitir la existencia de variables o parámetros desconocidos hasta ahora (en ellos se situaría la información de esas causas). Son las llamadas teorías de las variables ocultas, en actual desarrollo, aunque con muy poco asentamiento. Un ejemplo de estas teorías es la de David Bohm con su mecánica bohmiana.

¿Debemos pues, admitir la inutilidad de la búsqueda de causas a los fenómenos atómicos?

Tal vez, la llamada ley de causalidad no sea más que un producto de nuestra gramática y condición humanas muy útil para entender el mundo que nos rodea pero que se diluye al observarlo a una escala tan alejada como la atómica. De ser así, ¿en qué punto debemos situar la transición entre los fenómenos acausales descritos por la mecánica cuántica y los causales descritos por el resto de teorías clásicas?