Einstein vs. Bohr: el gran debate acerca de la realidad

El gran debate acerca de la realidad Einstein Bohr
El gran debate acerca de la realidad Einstein Bohr

El aspirar a la verdad es algo más precioso que la seguridad de poseerla.

Gotthold E. Lessing (1729-1781)

Los albores del siglo XX fueron la última época dorada de la física o, como Robert Oppenheimer lo llamó, “un tiempo heroico”. Esto es en el sentido de la explosión de creatividad y nuevas teorías para explicar el mundo de formas radicalmente nuevas, que efectivamente despedazaron paradigmas anteriores: esos años nos dieron la Relatividad, la Mecánica Cuántica, el Big Bang y un tamaño del universo no imaginado hasta entonces. El último periodo que se le asemeja fue la Revolución Científica del siglo XVII, que fue liderada por Galileo y Newton.

El punto más alto de este periodo y quizá el que marcó su fin, fueron las Conferencias de Solvay de 1927 y 1930. Estas conferencias fueron no solamente una de las reuniones más espectaculares de genios (en la de 1927, de los 29 asistentes, 17 eran o serían pronto premios Nóbel), sino que marcaron una trascendental lucha por describir la naturaleza misma de la Realidad, así con mayúsculas. Era una batalla por el corazón de la física: la visión clásica de causalidad en contra de la extraña fantasmagoría del mundo cuántico. Einstein y Bohr lideraban respectivamente cada lado, y sus intercambios fascinaron y cimbraron a la comunidad científica de aquel tiempo.

En poquísimas palabras estos eran los dos campos: Einstein y Schrödinger por un lado, estaban de acuerdo en usar las nuevas y peculiares matemáticas que explicaban los comportamientos cuánticos, incluyendo la Ecuación de Onda de Schrödinger; pero no estaban de acuerdo en tomarlas al pie de la letra y llegar a sus conclusiones lógicas. Einstein decía que las mediciones estadísticas de la cuántica eran una aberración que serían superadas en el futuro, pero sobre todo tenía un problema filosófico con el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que afirma que una parte fundamental de la naturaleza es que no se pueden medir con exactitud dos características de una partícula (energía/tiempo, momento/posición) al mismo tiempo.

Y finalmente, la peor ofensa: que las “cosas no existen si no las estamos observando”; esto es, la interpretación más radical de la mecánica cuántica: no se puede decir que una partícula tiene una característica hasta el momento de ser observada y medida. Esto implica que el observador modifica la observación y el concepto que causaba escozor en Einstein era el de Complementariedad: ya desde el siglo XVII Newton y Huygens habían debatido sobre la doble naturaleza de la luz, que se comporta como partícula u onda, y para principios de los 20s Louis de Broglie propugnaba una teoría de dualidad mucho más sofisticada. Pero Bohr iba mucho más allá: decía que el diseño del experimento mismo era el que decidía el comportamiento de la luz: “Si le hacemos una pregunta a la naturaleza de una forma específica, nos la responde de esa misma forma; no hay un límite definido entre observador y observación”, afirmó. Para Einstein, todo esto rayaba en acertijos metafísicos con los que no comulgaba.

Contra Einstein, defendiendo todas las posturas anteriores, estaba la que con el tiempo fue llamada la Interpretación de Copenhague, estaba Niels Bohr a la cabeza y secundado por Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli. Bohr afirmaba que “es un error pensar que la física se encarga de decir cómo es la naturaleza. La física se ocupa de ver qué podemos decir acerca de ella”. Einstein contestaba que “eso que llamamos ciencia se ocupa de decir qué es”. Para él, la física era el intento de comprender la realidad tal como es, con sus características intrínsecas independientemente de quién y cómo la observara.

En Solvay 1927, estas dos visiones del mundo —certidumbre clásica e incertidumbre cuántica— se enfrentaron en días de intensos argumentos y contra-argumentos. Las conferencias eran interesantes, pero el debate se dio realmente en el comedor del Hotel Metropole, donde todos se quedaban. Cada mañana, Einstein, el amo de los experimentos mentales, llegaba con una propuesta que parecía refutar el Principio de Incertidumbre y, tras todo el día de reflexionar, por las noches Bohr encontraba una solución que lo refutaba. La primera propuesta de Einstein fue esta:

bohr1

Pidió imaginar un haz de electrones, reducido a uno por uno, entrando por una ranura en una pantalla. La interacción del pasaje por la ranura le confería cierto momento y desviaba su trayectoria, hasta chocar en una placa fotográfica. Einstein propuso que de esta forma se puede calcular momento y posición al mismo tiempo. Bohr encontró el error, haciendo un diseño más real:

bohr2

El electrón pasa por la ranura pero también le confiere un cambio de momento inercial a la pantalla, lo que hace que la aguja que indica el cambio de momento del electrón no pueda ser medido con la exactitud predicha por Einstein. Todos los días los experimentos se hacían más complejos, pero cada vez eran refutados. Einstein deseaba comprobar que la Mecánica Cuántica carecía de coherencia interna, pero sus esfuerzos por demostrarlo eran infructuosos. Fue en este marco que dijo su famosa frase de que “no podía creer que Dios jugase a los dados”, aunque concedía que la teoría cuántica “tenía un componente indiscutible de verdad objetiva”. Era su convicción filosófica la que no admitía que el mundo pudiera ser fundamentalmente incierto.

Tres años después, en Solvay 1930, apareció con un experimento que tomó a Bohr por sorpresa: la caja de luz.

bohr3

En este experimento, hay una caja de luz (una caja con fotones dentro de ella) y un reloj que está sincronizado con otro reloj afuera, en el laboratorio. La caja se pesa. Después, si se abre una ranura especial, se deja salir un fotón y ese instante es precisamente registrado en el reloj. Luego, se pesa la caja de nuevo. Aquí, Einstein quería calcular la energía y el tiempo, otra prohibición del Principio de Incertidumbre. Bohr se quedó perplejo y no pudo contestar esa noche: se quedó despierto pensando furiosamente hasta la madrugada, cuando por fin dio con el error de Einstein.

En el desayuno, Bohr explicó: Einstein había olvidado los efectos de su propia Teoría General de la Relatividad. Ambos relojes no pueden estar perfectamente sincronizados y menos al haber un cambio en el sistema de uno de ellos; el campo gravitacional en donde están posicionados atrasa o adelanta su funcionamiento. La Incertidumbre se mantenía incólume y Einstein admitió su derrota.

La última escaramuza entre Einstein y Bohr ocurrió en 1935, cuando en colaboración con dos de sus estudiantes, publicó el texto conocido como Einstein-Podolsky-Rosen (EPR). Viendo que no podía atacar la coherencia interna de la teoría cuántica, decidió atacar su completitud: en uno de sus experimentos mentales más famosos puso en pausa a la teoría por tres décadas.

Einstein no creía tampoco en lo que él llamó la “acción fantasmal a distancia”, lo que hoy llamamos Entrelazamiento Cuántico. Para él, el hecho de que una medición de una partícula tomada en un lugar, afectara la característica de otra partícula en otro lugar, violaba el principio del límite de velocidad de la luz, ya que la información no puede viajar instantáneamente. Sin embargo, eso es exactamente lo que pasa en la práctica: dos partículas “entrelazadas” se convierten en un solo sistema y una medición en una, aun separadas por distancias grandes, afecta el comportamiento de la otra en forma instantánea. Es uno de los hecho más sorprendentes y menos entendidos del mundo cuántico.

En ese momento el hecho había sido muy poco investigado; algunos lo consideraban “magia”, y el experimento mental de Einstein proponía lo siguiente: dos partículas A y B son hechas interactuar y luego son separadas. En otro lugar, se mide el momento de A. Sin medir ni perturbar a B (porque este era el error que había cometido antes), se puede calcular su momento en otro lugar, por la Ley de Conservación de Momento. El hecho de que la partícula B tiene objetivamente un momento cognoscible sin ser medido, es un hecho que la Teoría Cuántica no considera y es, por lo tanto incompleta.

Bohr no supo cómo responder categóricamente y en su réplica se enfocó en cierta vaguedad en la definición de “elementos de la realidad” del artículo EPR. No fue sino hasta 1965, cuando el error en el planteamiento fue descubierto y matemáticamente descrito por John Stewart Bell, que el concepto de No-Localidad y Acción a Distancia fue ampliamente aceptado. En pocas palabras, el Teorema de Bell dice que hay una distinción insalvable entre las descripciones del mundo de la mecánica cuántica y la mecánica clásica. En términos técnicos, dice que “un modelo con variables locales ocultas, no puede reproducir las predicciones de la mecánica cuántica”, o sea que no se pueden usar conceptos de “realidad local” o macro, en el mundo cuántico.

A partir de los años 40, el Gran Debate por la Naturaleza de la Realidad tocó a su fin. Como dijo Dirac, “nadie realmente sabe cómo es el mundo cuántico, pero lo importante es que sabemos usar las ecuaciones”. Y ese fue el gran cambio de enfoque: las ecuaciones y las predicciones que de ellas emanan nos han dado gran parte de la tecnología electrónica del mundo moderno. Sólo los “viejos místicos” como Einstein y Bohr seguían preocupándose de las implicaciones filosóficas de sus descubrimientos. Bohr dijo que “no hay un mundo cuántico, sólo hay lo que decimos de él”, mientras que Einstein terminó sus días buscando una teoría unificada que lograra salvar su preciosa realidad independiente del observador. Charles P. Snow, famoso por su ensayo de “Las Dos Culturas”, en donde se lamenta del abismo que separa al discurso científico del literario, dijo acerca del debate Einstein-Bohr que “nunca ha habido un debate intelectual más profundo y es una lástima que dada su naturaleza, no pueda ser del común conocimiento de la gente”.

Los ecos de ese debate siguen influenciando la investigación moderna y sus temas siguen preocupando a los físicos y filósofos de nuestros días. No sólo ¿cuál es la naturaleza última de la realidad?, sino ¿qué descripciones de ella deben considerarse relevantes o con sentido? Sin embargo, la aseveración al principio de este texto, en el sentido de que aquella fue la “última época dorada de la física” se mantiene: si bien en años recientes la física nos ha dado cosas espectaculares como la confirmación del Bosón de Higgs y de las Ondas Gravitacionales, no son cambios sísmicos de paradigma sino avances incrementales sobre las teorías cuántica y relativista.

Por supuesto, hay una infinidad de cosas de estudio moderno que seguramente nos deparan sorpresas como las de hace un siglo: basta con mencionar la Materia Oscura y la expansión acelerada del universo. Pero es más probable que en las siguientes décadas, no sea la física quien vaya a poner nuestra visión del mundo de cabeza, sino la moderna biología y las ciencias computacionales. Y si no será un cambio de paradigma de la naturaleza de la realidad como lo quisieron Einstein y Bohr, sí lo será de la naturaleza del ser humano y de la conciencia: la manipulación genética, la clonación humana, la inteligencia artificial y la posibilidad de la inmortalidad digital nos abren dilemas existenciales y éticos nunca antes siquiera imaginados. En las décadas venideras, los científicos y los filósofos se preparan para otra nueva época heroica. Einstein y Bohr seguramente tendrían mucho qué decir.

Referencias científicas y más información:

Kumar, Manjit. Quantum: Einstein, Bohr, and the Great Debate about the Nature of Reality. Nueva York: W. W. Norton & Company, 2011. pp. 172-185, 192-200.

Pais, Abraham. Einstein Lived Here. Oxford: Clarendon Press, 1994.

Ananthaswamy, Anil. Reality check: The hidden connections behind quantum weirdness. New Scientist. Abril 2017.

Snow, Charles P. Variety of Men: Statesmen, Scientists, Writers. London: Penguin, 1969, p. 94.

Snow, Charles P. Las dos culturas. (1959). Nueva Visión, 2010.


25 Comentarios

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JRGJRG

Fantástico y emocionante artículo. Muchas gracias.
Cuando leo este tipo de artículos no puedo evitar sentir una enorme pena de que protagonistas como los mencionados ya no estén entre nosotros viendo cómo ha evolucionado el mundo y el conocimiento, y aportando su opinión a debates que tenemos y que tarde o temprano vamos a tener.

Sobre el último parrafo y la llamada “inmortalidad digital”, tengo la impresión de que es mucho más probable que la “inmortalidad” llegue de manos de biología.
Me parece más factible que se desarrollen tratamientos que aumenten o multipliquen nuestra longevidad (anulando los factores que intervienen en el envejecimiento) antes que clonar una mente humana completa dentro de un ordenador. Y además sería mucho más práctico y agradable :)

Lástima que ninguno de nosotros vivamos para verlo, porque también tengo la impresión de que falta muuucho para eso y, si llega, será de forma progresiva, con unas conntaciones filosóficas y morales enormes, por no hablar de lo que le pasaría a nuestro preciado planeta con unos habitantes que nacen pero que no mueren. ¿Alguien dijo superpoblación?

alfonsoaraujo

Gracias a ti por leer!

En cuanto a la inmortalidad, tenemos desde los 70s teniendo a futuristas y escritores de ciencia ficción dándonos ideas de cómo podría ser. Te recomiendo dos muy interesantes, que por supuesto no sólo presentan el cómo, sino que abordan los posibles dilemas éticos:

1. El Fantasma de Kansas, de John Varley (1976)
http://www.uam.es/personal_pdi/psico...ley-spa.pdf

2. San Junipero, que es el episodio 4, temporada 3, de la serie de TV “Black Mirror”.

Saludos!

Antonio TardiniAntonio Tardini

Que fantástico articulo. Cada vez que leo estas cosas me dan ganas de volver a la facultad a estudiar física ….. saludos

Alfonso Araujo

Oh muchas gracias! Es el mejor comentario que uno podría esperar, al hacer divulgación. Yo también quisiera regresar a la facultad, pero en su defecto, a seguir leyendo! 😀 Saludos.

JuanJuan

Hola.
¿Qué libro recomiendas que haga un resumen de las diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica y las compare?
No sólo las dos que se suelen ver en la carrera (Copenhagen y DeBroglie-Bohm):
https://en.wikipedia.org/wiki/Interp...m_mechanics
Que explique cuales han sido descartadas o se creen que se van descartar…

¿Y otro que haga un resumen de los principales experimentos llevados a cabo, en plan enciclopedia de la mecánica cuántica?

alfonsoaraujo

Hola! Pues yo también quisiera poder hallar un solo libro en donde se hable de la historia de las interpretaciones, pero el problema es que la mayoría de los libros se enfocan en describir un solo tipo de teorías, cada una de las cuales tiene variaciones.

Lo que sí te puedo recomendar ampliamente, es la Stanford Encyclopedia of Philosophy (https://plato.stanford.edu), que tiene artículos excelentes sobre cada tipo de interpretaciones y sus variaciones; y como es una fuente que no es para físicos, sus explicaciones mantienen la parte técnica a un mínimo.

El problema es que no puedes buscar simplemente “interpretaciones de la mecánica cuántica”, porque te va a arrojar un montón de resultados entre generales y especializados. Te recomiendo que hagas búsquedas individuales por cada uno de los cuatro tipos de interpretaciones que son las más comunes, aparte de la de Copenhagen y la Mecánica de Bohm:

– “Collpase theory”, o Teorías de Colapso Objetivo, se refieren a lo que pasa al momento del colapso de la función de onda;

– “Modal interpretation of Quantum Mechanics”, o interpretaciones modales, que fueron formuladas en los 70s en base a la lógica modal: un sistema cuántico tiene un valor dinámico (posible) y un valor de estado (medido). De las cuatro, es la más esotérica de entender;

– “Relational Quantum Mechanics”: interpretaciones relacionales, que toman en cuenta la Relatividad Especial y que proponen que las observaciones dependen del marco de referencia, y

– “Many-worlds interpretation of Quantum Mechanics”: la Interpretación del Mulitiverso, que es de las más conocidas y una de sus variaciones más famosas es la “Espuma de la Realidad” de Leonard Susskind (pero mezclado con Teoría de Cuerdas).

Espero que te sirva!
Saludos.

alfonsoaraujo

En cuanto a experimentos, hay un libro que he querido comprar y no he podido, pero me lo han recomendado bastante:

“Compendium of Quantum Physics”

https://www.amazon.com/Compendium-Qu...experiments

Hasta donde sé, no se mete tanto en interpretaciones pero es un libro en plan diccionario, donde puedes encontrar experimentos, conceptos y la historia y personajes asociados con cada postura. Más vale que esté bueno porque cuesta una pasta.

JuanJuan

@alfonsoaraujo, @Francis, @Cesar, gracias por los consejos sobre los libros, echaré un vistazo.

Hector04Hector04

hasta donde se el colapso de la función de onda no es dinámico de la misma manera que lo fue y es la ley de inversa al cuadrado, ese dos es un dos exacto al menos hasta el dígito 21 después de la coma y aunque se lleguen a mas decimales siempre quedará la duda si el siguiente dígito es no o no cero, a propósito leí un buen articulo que llevaba todo a cero, no me acuerdo como se llama.

alfonsoaraujo

Hola! No me quedó muy claro tu comentario; en el artículo no hablo de la función de onda, sino de los problemas de las mediciones que afectan el Principio de Incertidumbre.

Hector04Hector04

Si, lo siento, me refería que Einstein intuía que la física cuántica debía ser dinámica, por eso se opuso a manifestaciones que la rebatían.

renecoreneco

Muy bueno el resumen, pero cuando meten al observador en física se olvidan que el el observador tarde o temprano es un ente biológico y no se hace la pregunta ¿como conocemos? y eso cae en la biología.

Emilio MolinaEmilio Molina

Estupendo artículo. Solo una puntualización lingüística: «adolecer» está mal usado en «Einstein deseaba comprobar que la Mecánica Cuántica adolecía de coherencia interna». El término «adolecer» es sinónimo de padecer o sufrir de algo. Algunos lo usan incorrectamente como «carecer», pero es la primera vez que lo veo usarse (también incorrectamente) en sentido opuesto en lugar de «albergar», «mostrar» o, simplemente, «tener».

César Tomé López

Tengo auténticos problemas con esta frase: “Y en 1827, la descripción del Movimiento Browniano ponía de manifiesto que se requerían componentes de partículas y de ondas en una misma ecuación que lo describiera.” ¿Cómo la descripción del movimiento browniano en 1827 está relacionada con la dualidad onda-corpúsculo? Más cuando en la descripción de Einstein de 1905 no la emplea, porque no hace falta: tan solo usa mecánica estadística y mecánica de fluidos.

Por cierto, respecto al vídeo, la hipótesis atómica se propuso con cierta firmeza a principios del XIX (Dalton), los químicos la empleaban de facto para todo desde mediados de siglo, y la mecánica estadística de Maxwell-Boltzmann venía a incidir en que era la visión correcta. Yo poseo un libro de texto de química español para bachillerato de 1896 donde se emplea la hipótesis atómica para todo. El valor del número de Avogadro fue calculado por Lochtschmidt en 1865, cuando estimó el diámetro medio de las moléculas. Por ello afirmar que en 1905 se desconocía de qué estaba compuesta la materia no es solo un desprecio a la química en su conjunto, sino a toda la física estadística previa.

Otrosí, una teoría (hipotética) no es prueba de nada, ni confirma nada. Hasta que Perrin no se las ingenió para usar la hipótesis de Einstein en 1908 para determinar el número de Avogadro no se puede afirmar que esté establecida experimentalmente la existencia de átomos.

alfonsoaraujo

Wow, tienes toda la razón! Esa frase no debía estar ahí para nada, es de una versión anterior que no eliminé y de hecho se lee así porque es el principio y final de un párrafo que no borré del todo.

Corregido.

(Lo malo de ir guardando versiones mal hechas).

También iba a hacer un comentario acerca de la hipótesis atómica pero al final lo dejé de lado: el hecho de que en su artículo del Movimiento Browniano, Einstein lo que propone no es su existencia, sino una forma de medición.

Gracias por los comentarios!

JustoJusto

“Es un error pensar que la física se encarga de decir cómo es la naturaleza. La física se ocupa de ver qué podemos decir acerca de ella”. (Bohr)
Yo me atrevería a ir un paso más lejos que Bohr y a afirmar que la física (y la ciencia,en general) no nos dice cómo es la realidad objetiva; la física solo describe nuestra percepción de la realidad, nuestra realidad síquica.

renecoreneco

Yo lo acotaría a “la física solo describe nuestra percepción”, dar referencia a la realidad cae en terrenos de la filosofía.

JustoJusto

Hace tiempo que la Mecánica Cuántica se introdujo en el terreno de la filosofía.

gaelgael

“la física solo describe nuestra percepción”. y esa percepción sería la realidad o simplemente nuestra realidad?

JuanJuan

Hace poco estuve leyendo que para que la computación cuántica sea potente (para resolver en general problemas NP) haría falta una mecánica cuántica “no lineal”, y parece que todavía no se ha observado…
¿Dónde puedo leer más sobre el tema?

Alfonso Araujo

No entendí muy bien la idea, pero en general el problema P-NP es un problema de un tema que se llama Complejidad Computacional. La opinión actual es que es muy probable que P NP, o sea que un problema rápido de resolver no es necesariamente rápido de probar.

La pregunta acerca de los problemas NP es si pueden ser resueltos en un tiempo razonable, lo cual por el momento, tanto con computación normal como cuántica (teórica) es un santo grial. Ha habido avances en los algoritmos, pero bajar drásticamente el tiempo aún es un dolor de cabeza. La computación cuántica sería extraordinariamente rápida para problemas como criptografía, o búsqueda/ordenamiento de información dentro de bases de datos gigantescas, pero para problemas NP aún no se sabe si puede aportar un avance radical.

Este artículo no es muy reciente, pero te lo recomiendo porque da una explicación técnica accesible al problema de NP en computación cuántica:

http://www.cs.virginia.edu/~robins/T...mputers.pdf

Alfonso Araujo

En mi comentario quise decir “La opinión actual es que es muy probable que P no es igual a NP,”, pero por alguna razón no se ve el signo de desigualdad.

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