I.Parte:Los átomos de la discordia

Elaborado por: María Judith Arias

Filosofía de la Mecánica Cuántica

Resumen tomado de: Realismo científico una introducción al debate actual en la filosofía de la ciencia. Por: Antonio Diéguez Lucena.1998

La moderna teoría atómica se originó en el siglo XIX con los trabajos de químico inglés John Dalton

Los átomos de la discordia

Mientras el atomismo estaba desligado de indagaciones experimentales y era demasiado especulativo, los trabajos de Boyle y de Newton intentaron a través de la experimentación que la hipótesis del atomismo, jugase un papel relevante en la explicación científica del mundo

1808. Dalton New System of Chemical

Philosophy El principal logro estuvo en usar el atomismo para dar cuenta de regularidades observadas en procesos de reacción química.Lo cual consiguió mediante la combinación del concepto de elemento químico con las ideas atomistas tradicionales.El concepto de elemento químico usado por Dalton fue muy próximo al propuesto por Boyle en 1661

Para los filósofos y alquimistas de la Edad Media y el Renacimiento los elementos eran sustancias simples de las que se componían los cuerpos.

Generalmente se aceptaban como elementos los cuatro de la tradición filosófica: Agua, Aire, Tierra y Fuego.

Las sustancias consideradas como elementales podían ser producidas a partir de otras .

Boyle impugnó estas ideas, valiéndose de numerosos contraejemplos experimentales.

¿por qué del oro y la plata, que eran tenidos por mixtos, no se podían extraer todos los elementos?

De otros cuerpos se extraían más componentes que los aceptados como elementales.

Sin embargo Boyle no sacó ninguna conclusión definitiva sobre la existencia de sustancias elementales.

Un siglo más tarde en 1789,

Lavoisier ofrecía su Traité élémentaire de

chimie

Formulación moderna del concepto de elemento químico:

El último término alcanzable mediante el análisis químico.

Publicó una tabla donde se recogían 33 sustancias elementales como el oxigeno, el hidrogeno, el nitrógeno, el calórico, etc.

Tuvo cuidado de desligar los elementos de cualquier especulación sobre la naturaleza atómica de la materia

Elementos son aquellas sustancias a la que podemos reducir a los cuerpos por descomposición.

La mayor parte de los químicos a comienzos del siglo XIX asumían algún tipo de teoría corpuscular sobre la materia, pero no pasaban de considerar esas teorías como hipótesis metafísicas al igual que Lavoisier.

Dalton defendía la existencia física de los átomos.

La única evidencia empírica probada era que los elementos se combinaban siguiendo ciertas regularidades en la proporción de sus pesos.

William Whewell supo recoger el sentir de la comunidad científica

Se aceptaba el atomismo químico de Dalton, es decir,

la atribución de pesos relativos a los distintos

elementos para explicar la formación de compuestos;

pero no se aceptaba el atomismo físico, o sea la

creencia en la existencia real de partículas físicamente

indivisibles, con determinadas propiedades y

características.

La utilidad de la teoría atómica, no implica la realidad

de los átomos

La disputa sobre la existencia real de los átomos y el papel de la teoría atómica se prolongó a lo largo de todo el siglo XIX.

A partir de la década de 1850 Clausius, Maxwell y Boltzmann desarrollaron

la teoría cinética molecular de los gases mediante el supuesto de que están

constituidos por partículas en movimiento libre que chocan incesantemente

entre sí

Los átomos de los físicos

En el siglo XVIII Daniel Bernoulli la había expuesto claramente. No pudo rivalizar con el modelo estático prevalecienteSe describía los gases como una nube de partículas estacionarias, rodeadas por un fluido: el calórico, y sujetas por fuerzas repulsivas que las mantienen vibrando en torno a posiciones de equilibrio.

Teoría Cinética de los Gases

La elaboración precisa y sistemática de la teoría cinética de los gases comenzó con Clausius, quien publicó en 1857 un artículo fundamental titulado: “sobre la naturaleza del movimiento llamado calor” allí atribuía a las moléculas de un gas, además de un movimiento en línea recta, un movimiento rotacional y otro vibratorio.

Clausius…

Maxwell, propuso distribuir las velocidades de las moléculas de un gas siguiendo una curva de distribución normal, de modo que las velocidades medias fueran siempre las más probables.

Boltzmann completo el trabajo cuando, interpretó el segundo principio de la termodinámica como una ley estadística basada en las probabilidades de las distribuciones moleculares y ofreció una definición precisa de la entropía en función de dichas probabilidades.

Maxwell y Boltzmann…

Otro acontecimiento significativo fue el Encuentro Internacional de Químicos

que se celebró en Karlsruheen 1860

Tuvo como objetivo principal conseguir un acuerdo general sobre la cuestión de los átomos. El químico italiano, Cannizzaro recordaba los trabajos Amedeo Avogadro permitía desarrollar un método para determinar con exactitud los pesos atómicos y las formulas moleculares.

Basado en la llamada “Hipótesis de Avogadro”: volúmenes iguales de gases en las mismas condiciones de temperatura y presión, contienen igual número de moléculas. Una hipótesis que había sido formulada en 1811, pero que había sido rechazada por muchos,

Los científicos inspirados por el positivismo decían que la hipótesis atómica no era más que un modo de salvar los fenómenos.

Entre ellos destacaban Mach y Oswald

Oswald pensaba que la hipótesis atómica seguía sin ser verificada después de mucho tiempo y que su anterior valor heurístico se estaba perdiendo a favor de la emergente termodinámica.

Para él concepto fundamental no era el de materia sino el de energía

Oswald, junto con otros físicos y químicos pretendió orientar toda la física en torno a dicho concepto.

Su propuesta fue el energetismo

En el energetismo, los científicos energetistas se opusieron a la reducción de Bolzmann Los medios empleados por Oswald para eliminar el atomismo, fueron desproporcionados puesto que tuvo que eliminar por completo la noción de materia.

Boltzmann hace notar que tan hipotéticos son los átomos como una energía constituida en fundamento de todo.

Los energetistas creían que en los átomos existía una adhesión metafísica y que la que la ciencia haría bien desprenderse de él,

Al final…La evolución de la física dio la razón, aunque en forma relativa a Boltzmann, pero no se la quitó del todo a Mach. La materia y la energía dejaron de rivalizar por la prioridad ontológica, puesto que eran estrictamente equivalentes.El átomo tuvo partida de nacimiento cuado ya se sabía que no era indivisible sino que estaba formado por partículas con unas propiedades tan extrañas que los físicos tuvieron dificultad en considerarlas reales.

Escenas finales…Las escenas finales se desarrollaron en los primeros años del siglo XX. Entre los tres famosos artículos que Einstein publicó en 1905, uno de ellos versaba sobre el movimiento aleatorio de las partículas microscópicas en un fluido, conocido como movimiento browniano.Aparecía la constante N, o el número de Avogadro. La existencia de un valor fijo para N era una consecuencia directa de la hipótesis de Avogadro.1905 ya se habían obtenido valores aproximados para N

Conseguía dar valores más precisos a N, a partir de un estudio observacional del movimiento browniano.

Jean Baptiste Perrin, en 1908…

Al año siguiente, contando con este valor sometió a prueba experimental la ecuación de Einstein esperando refutarla.

Sin embargo, los resultados que obtuvo, tras un experimento realmente delicado, coincidían aproximadamente con lo que las ecuaciones predecían.

En su obra Les Atomes, de 1913 Perrin manifestaba la asombrosa coincidencia de valores que se alcanzaban para N usando hasta trece procedimientos diferentes de estimación basados en fenómenos físicos muy dispares.

Una coincidencia tal no podía ser fruto del azar, N tenía que

representar una magnitud real, tenía que medir el

número real de moléculas.

Ostwald reconoció que los resultados de Perrin “autorizan incluso al científico más cauteloso a hablar de una prueba experimental de la constitución atómica de la materia”.

II. Parte:Los Enigmas de la Teoría Cuántica

Filosofía de la Mecánica Cuántica

La teoría cuántica volvió a poner sobre el tapete problemas que

algunos consideraban ya superados por la marcha segura

de una ciencia descargada de todas las trabas metafísicas y exclusivamente sometida al

veredicto experimental.

Lo que entraba ahora en discusión era qué debía entenderse por realidad misma cuando estaban

involucrados los sistemas microfísicas.

Con el desarrollo de la teoría cuántica la atribución de realidad a ciertos estados y procesos se tornó problemática.

Para entonces nadie dudaba que los átomos existieran. la cuestión se desplazó al significado con que debería dotarse el concepto de existencia real en los nuevos contextos requeridos por la física.

El problema no está en la matemática, el problema está en la filosofía y sobre todo en la ontología que debe ponerse detrás de las ecuaciones.

En la mecánica cuántica, los valores de los estados observables de un sistema cuántico son representados por una función de onda, susceptibles de tomar valores complejos

La función de onda, está descrita por la ecuación de onda propuesta por Schrödinger en 1926.

Dicha ecuación permite calcular el comportamiento y evolución de los sistemas cuánticos.

Schrödinger pensó en un principio que estaba asociada a un proceso vibratorio real en el interior del átomo y le adscribió como referencia una distribución continua de electricidad en el espacio, considerando a las partículas como "paquetes de ondas" que no se expanden.

Cuestionamientos

¿cómo aceptar que la función de onda representa una onda real cuando no solo aparecen en ella números imaginarios, sino que para sistemas compuestos por varias partículas, tenía que ser una función en un espacio de más de tres dimensiones?

¿qué significado real tiene exactamente la función de onda?

Significado de la función de ondaRepresenta algo real (un campo físico de algún tipo, ciertas propiedades objetivas) de un sistema cuántico individual.

No representa nada real; es simplemente un instrumento matemático para calcular las probabilidades de obtener resultados en posibles mediciones efectuadas sobre sistemas microfísicas individuales.

Describe nuestro estado de conocimiento sobe un sistema microfísico.

No representa una realidad actual, sino más bien un conjunto de potencialidades que podrían ser actualizadas de acuerdo con las condiciones experimentales.

Describe el comportamiento de un conjunto de sistemas, nunca de un sistema solo.

1

2

3

4

5

1. 2. 3 4.

Interpretación probabilística

de la función de onda.

Descripciones complementarias. (Bohr) Dualidad onda partícula.

Principio de Incertidumbre o

de indeterminación de Heisemberg

El problema de la medida,

conocido como el colapso de la

función de onda.

La función de onda

El problema de la medida es una dificultad conceptual, sin una respuesta capaz de despertar el consenso

Von Newmann, se produce en el acto de medir un cambio

discontinuo en la función de onda que no está regido por la

ecuación de onda de Schrödinger y que representa un carácter

indeterminista.

Este cambio instantáneo es el colapso de la función de onda. La cuestión es ¿cómo y por qué se produce este extraño salto?

¿Es un cambio que afecta sólo a nuestro conocimiento del sistema, o se trata por el contrario, de una verdadera transformación física que la medición introduce de algún modo en el sistema medido?

Bohr considera que no hay nada objetivo, definido e independiente tras determinados atributos de los sistemas microfísicos cuando éstos no están siendo observados.Para esas características que cambian en diferentes observaciones sí que su ser consiste

en ser percibido, o, como diría Heisenberg, su "suceder" está restringido a su observación.

Propiedades o atributos

Procesos e interacciones

Bohr: La Teoría Cuántica no versa sobre la realidad, sino sobre los fenómenos.

"Nos encontramos aquí bajo un nuevo aspecto, esa antigua verdad que dice que al describir los fenómenos nuestro propósito no es revelar su esencia misma sino establecer sólo, y en la medida de lo posible, relaciones entre los múltiples aspectos de nuestra experiencia"

"La magnitud finita del cuanto de acción impide hacer una

distinción neta entreel fenómeno y el instrumento

de observación"

Heisenberg"las leyes naturales que se formulan matemáticamente en la teoría cuántica no se refieren ya a las partículas elementales en sí, sino a nuestro conocimiento de

dichas partículas"

Bohr, Heisenberg y von Neumann establecieron una compleja relación, muy diferente a la realista de la física clásica, entre la realidad, la teoría, el instrumental de observación y el observador, y

se dejaron llevar con frecuencia en sus explicaciones por el idealismo, hay que decir sin

embargo que ninguno fue un idealista en el sentido fuerte de la palabra. Ninguno de ellos

negó la existencia de una realidad independiente del sujeto cognoscente; tampoco en el nivel

cuántico: ninguno dudó, por ejemplo, de que el electrón existiera.

|Y|2dv, densidad de probabilidad de

encontrar la partícula en un volumen dv

La Interpretación Probabilística de la función de onda formulada por Max Born

Critica la interpretación

realista de Schrödinger

Ofreció una interpretación alternativa que, aceptada en lo esencial por Bohr y por Heisenberg, se convirtió en la interpretación ortodoxa

Pensaba que la multi dimensionalidad de Y y su valor complejo impedían considerarla como la representación de una onda real, tal como pretendía Schrödinger. Sin embargo, era posible atribuir un significadoreal a |Y|2, que será siempre un número real no negativo.

Born interpretó |Y|2 dV como la densidad de probabilidad de encontrar dicha partícula en el volumen dV. Aún sostenía la idea de que las partículas cuánticas eran como las partículas clásicas, en el sentido de que tenían una posición y un momento definidos en cada instanteReducía los aspectos ondulatorios a una mera representación de nuestro conocimiento sobre el comportamiento de esas partículas.Nótese que a lo que se refiere |Y|2 es al resultado obtenido en un proceso de medida y no a una realidad objetiva: se trata de la probabilidad de que un observador encuentre la partícula si efectúa una medición.

‘Descripciones complementarias' Es posible determinar el comportamiento del sistema atendiendo a

sus aspectos corpusculares, o bien atendiendo a sus aspectos ondulatorios, puesto que un sistema microfísico permite las dos posibilidades.

Pero lo que no se puede es determinar ambos aspectos simultáneamente.

Las condiciones experimentales en las que el sistema es susceptible de ser descrito como partícula excluyen a las condiciones experimentales en las que es susceptible de ser descrito como onda.

Bohr llama a estas posibilidades alternativas 'descripciones complementarias', y el calificativo no es accidental. Son descripciones complementarias porque, siendo excluyentes, ambas son necesarias para dar una caracterización completa del sistema microfísico.

El principio de incertidumbreEl principio de incertidumbre es una de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, obtenida mediante una derivación puramente formal de otras ecuaciones de la teoría. El significado ortodoxo de esta ecuación, afirma que los valores de las variables canónicamente conjugadas, como posición y momento, o energía y tiempo, no pueden ser medidos simultáneamente con un grado de precisión arbitrario;El error en la medición conjunta es irreducible por debajo de un cierto límite aproximadamente igual h/2p. Así pues, cuanto más precisión se consiga en la determinación del valor de una de esas variables, menos precisión se podría conseguir en la determinación del valor de su correspondiente conjugada.

Para Bohr los conceptos que emplea la física no se refieren a una realidad exterior directamente, sino a un objeto fenoménico que es el resultado de la conjunción de dos sistemas físicos mutuamente dependientes (el instrumento de medida y el sistema observado), inseparablemente integrados en una totalidad que sólo puede ser escindida a modo de abstracción.

También que Heisenberg modificó sus ideas iniciales para ponerlas en consonancia con las de Bohr

Para Heisenberg, Bohr y Born la función de onda es un procedimiento de cálculo que delimita la probabilidad de obtener ciertos resultados experimentales, con lo que además del realismo de la mecánica clásica queda desterrado también el determinismo, muy a pesar de Einstein

von Neumann introducirá un nuevo elemento en la interpretación de la teoría cuántica.

En su influyente obra Fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica, publicada en 1932, von Neumann establece

una formalización axiomática de la mecánica cuántica en la que los

estados atómicos son caracterizados por vectores en el

espacio abstracto de Hilbert.

Conciencia

Resultados importantes de laaxiomatización de von Neumann

Permite derivar la mecánica de matrices de Heisenberg y

Mecánica ondulatoria de Schrödinger como casos particulares.

Proporciona la base para su famosa prueba de la completud de la mecánica cuántica.

Imposibilidad de completar mediante variables ocultas la mecánica cuántica con el fin de convertirla en una teoría determinista

Desde el punto de vista filosófico:

El fenómeno cuántico, más que un todo inanalizable, forma un compuesto en el

que la frontera entre el objeto observado y el instrumento de medida puede ser desplazada arbitrariamente,

con lo cual también el instrumento puede ser tratado, como un sistema

cuántico representado por la función de onda.

Esto significa que …No es en el instrumento donde la función colapsa. Sólo puede ser la conciencia del observador la que en el acto de medición haga que el sistema observado pase súbitamente de estar en una superposición de estados evolucionando de manera causal según la ecuación de Schrödinger a estar en uno sólo de esos estados. La conciencia del observador es el "lugar" donde se produce el colapso de la función de onda

Todo lo que el físico pueda llamar 'realidad' en el nivel cuántico viene

determinado por la conciencia humana en ejercicio.

Schrödinger puso de manifiesto que las paradojas surgidas de las superposiciones de estados en los sistemas microfísicos no estaban confinadas en el ámbito atómico y subatómico, donde sólo los físicos interesados las encontrarían, sino que, para nuestra intranquilidad, podían ser trasladadas al ámbito macroscópico

Desafío explícito …

A pesar de que von Neumann parecía haber demostrado en su libro la inviabilidad de las variables

ocultas, Einstein se resistía a descartar la posibilidad de una futura teoría capaz de explicar

causalmente, mediante un conocimiento más completo, lo que la mecánica cuántica atribuía al puro azar; y

calificaba de "filosofía tranquilizadora", e incluso de "religión", las convicciones de Bohr y de Heisenberg en

sentido contrario. Para justificar su arraigada esperanza tenía que mostrar

la existencia de variables ocultas que la mecánica cuántica no recogía y cuyo conocimiento completaría la

descripción del sistema observado.

Desafío explícito …

Dios no juega a los dados con la

naturaleza

Einstein insistió siempre en que lo que le movió a criticar esta doctrina fue su convencimiento de que la teoría cuántica no estaba en su forma final y definitiva, que no era más que un caso límite de una teoría radicalmente nueva.

Independientemente del peso de sus convicciones filosóficas y del éxito de sus argumentos, es lícito decir que, en lugar de anclarse en las

viejas ideas, lo que Einstein quiso fue impedir que se consagraran

unas nuevas antes de haber sido suficientemente

cuestionadas.