LA ZORRA Y LAS UVAS - NOVEDADES - Pasado y...

SEAN CARROLL

LA ZORRA Y LAS UVASLos mundos cuánticos

y la realidad oculta del universo

Traducción deMARC FIGUERAS

LA ZORRA Y LAS UVAS.indd 5 15/4/20 11:45

prólogo

NO TENGAS MIEDO

No es necesario tener un doctorado en física teórica para que te asuste la mecánica cuántica, aunque tampoco viene mal.

Esta afirmación puede parecer algo peculiar. La mecánica cuántica es nuestra mejor teoría del mundo microscópico; describe cómo interaccionan los átomos y las partículas por medio de las fuerzas de la naturaleza y pro-porciona unas predicciones experimentales de exactitud asombrosa. Sin duda, la mecánica cuántica tiene una cierta reputación de ser difícil y mis-teriosa, casi rozando lo mágico. Pero los físicos profesionales, y especial-mente ellos, deberían sentirse bastante cómodos con una teoría como esta; están todo el rato haciendo cálculos abstrusos sobre fenómenos cuánticos y construyendo enormes máquinas destinadas a comprobar las predicciones resultantes. ¿No estaremos acaso sugiriendo que los físicos nos han estado engañando todo este tiempo, verdad?

No nos han estado engañando. Pero a decir verdad, tampoco han sido del todo honestos con ellos mismos. Por un lado, la mecánica cuántica es el corazón y el alma de la física moderna. Los astrofísicos, los físicos de partí-culas, los físicos atómicos, los físicos del láser... todos usan la mecánica cuán-tica constantemente y son muy buenos en ello. No se trata solo de investiga-ciones esotéricas: la mecánica cuántica es omnipresente en la tecnología moderna: semiconductores, transistores, microchips, láseres, memorias in-formáticas... todo ello se basa en la mecánica cuántica para funcionar. Y, de hecho, la cuántica es necesaria para dar sentido a los rasgos más básicos del mundo que nos rodea; toda la química es, en el fondo, mecánica cuán-tica aplicada; para entender por qué brilla el Sol o por qué una mesa es sóli-da, necesitamos de la mecánica cuántica.

Imagínate que cierras los ojos. Todo estará oscuro (o eso espero). Pue-des pensar que es lógico, puesto que no hay luz que llegue a los ojos. Pero esto no es del todo cierto; cualquier objeto mínimamente caliente emite luz infrarroja, con una longitud de onda una pizca más larga que la luz visible,


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y eso incluye a tu propio cuerpo. Si nuestros ojos fueran sensibles a la luz infrarroja tal como lo son a la luz visible, quedaríamos cegados incluso con los párpados cerrados, a causa de la luz emitida por nuestros propios globos oculares. Pero los conos y bastones que actúan como receptores de luz son sensibles a la luz visible, no a la infrarroja. ¿Cómo logran tal cosa? En el fondo, la respuesta viene de la mano de la mecánica cuántica.

No se trata de magia. La mecánica cuántica es la perspectiva más profunda y exhaustiva que tenemos de la naturaleza. Por lo que sabemos en estos momentos, la mecánica cuántica no es solo una aproximación a la verdad; es la verdad. Está claro que tal afirmación está sujeta a cam-bios a la luz de resultados experimentales inesperados, pero hasta la fe-cha no hemos observado indicios de sorpresas de este tipo. El desarrollo de la mecánica cuántica a principios del siglo xx, con personajes como Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger y Dirac, nos legó, en 1927, una comprensión meditada de la naturaleza que, sin duda, es uno de los mayores logros intelectuales de la historia humana. Está justifica-do sentirse orgulloso.

Sin embargo, por otro lado, y citando las célebres palabras de Richard Feynman, «creo que puedo decir con toda tranquilidad que nadie entiende la mecánica cuántica».1 Utilizamos la mecánica cuántica para crear nuevas tecnologías y predecir los resultados de los experimentos, pero cualquier fí-sico honesto admitirá que realmente no entendemos la mecánica cuántica. Disponemos de una receta que podemos aplicar con seguridad en determi-nadas situaciones prescritas y que nos proporciona predicciones de una exactitud alucinante que han sido confirmadas por los datos experimenta-les. Pero si uno quiere ir más al fondo y preguntarse qué es lo que en verdad está pasando, la respuesta es que no lo sabemos, así de simple. Los físicos tienden a tratar la mecánica cuántica como si fuera un robot mecánico en el que confían para llevar a cabo ciertas tareas, no como un amigo apreciado por el cual se preocupan personalmente.

Esta actitud entre los profesionales se filtra a la manera en que se explica la mecánica cuántica al público general. Nos gustaría presentar una imagen perfectamente definida de la naturaleza, pero somos incapa-ces de hacerlo, porque los físicos no se ponen de acuerdo en lo que real-mente nos dice la mecánica cuántica. Así, las aproximaciones divulgati-vas tienden a hacer hincapié en que la teoría es misteriosa, desconcertante e incomprensible; es un mensaje que va en contra de los principios básicos que la ciencia representa, entre los cuales está la idea de que el mundo es inteligible. Cuando se trata de la mecánica cuántica sufrimos algo así


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como un bloqueo mental y tal vez necesitemos un poco de terapia cuántica para superarlo.

Cuando enseñamos mecánica cuántica a los estudiantes, les damos una lista de reglas. Algunas son ya familiares: tenemos una descripción ma-temática de los sistemas cuánticos más una explicación de cómo evolucio-nan estos sistemas a lo largo del tiempo. Pero luego hay una serie de re-glas adicionales que no tienen ningún equivalente en cualquier otra teoría de la física. Estas reglas adicionales nos dicen lo que sucede cuando ob-servamos un sistema cuántico, y este comportamiento es por completo diferente al del sistema cuando no lo estamos observando. ¿Qué demonios significa todo esto?

En el fondo, tenemos dos opciones. Una es asumir que la historia que hemos ido explicando a nuestros alumnos es penosamente incompleta y que para que la mecánica cuántica sea una teoría sensata tenemos que enten-der qué es una medición o una observación y por qué parece tan diferente de lo que hace el sistema en cualquier otro caso. La otra opción es admitir que la mecánica cuántica representa una fractura radical respecto a la forma en que siempre hemos pensado acerca de la física, que nos obliga a pasar de un enfoque en que el mundo existe de manera objetiva e independiente de nues-tra percepción de él a uno en que el acto de observación es, de algún modo, fundamental para la realidad.

Sea como fuere, los libros de texto deberían dedicar un tiempo a explo-rar estas opciones y aceptar que, si bien la mecánica cuántica tiene un éxito espectacular, no podemos afirmar que hayamos completado su construc-ción. Pero los libros de texto no lo hacen. En su mayoría, pasan de puntillas sobre este tema y prefieren mantenerse en la zona de confort de los físicos, garabateando ecuaciones y retando a los estudiantes para que las resuelvan.

Es un poco bochornoso. Y la cosa aún va a peor.Podrías pensar que, teniendo en cuenta esta situación, el objetivo de

comprender la mecánica cuántica tendría que ser el mayor reto de toda la física, que lloverían millones de dólares en becas y proyectos para los in-vestigadores que trabajan en la fundamentación de la cuántica, que las mentes más brillantes se agolparían ante el problema y que los avances más importantes serían recompensados con premios y prestigio. Las uni-versidades competirían entre ellas para reclutar a las figuras más desta-cadas del campo, ofreciéndoles sueldos de lujo para alejarlas de las insti-tuciones rivales.



Pues no. No solo esta búsqueda para dar sentido a la mecánica cuántica no se considera una especialidad prestigiosa dentro del campo de la física actual, sino que en muchos ambientes se considera como algo apenas respe-table o incluso se denigra directamente. La mayoría de los departamentos de física no tienen a nadie trabajando en el problema, y a aquellos que deciden hacerlo se les mira con recelo (no hace mucho, mientras redactaba una solici-tud para una beca, se me aconsejó concentrarme en mi trabajo en gravitación y cosmología, un campo que se considera «legítimo», y no decir nada de mis esfuerzos en el campo de la fundamentación de la mecánica cuántica, que me harían parecer menos serio). Se han logrado avances importantes a lo largo de estos últimos noventa años, pero por lo general han sido debidos a perso-nas testarudas que pensaron que estos problemas eran cruciales, por mucho que sus colegas los miraran con suspicacia, o a jóvenes estudiantes que no supieron hacerlo mejor y luego abandonaron por completo este campo.

En una fábula de Esopo, una zorra ve un apetitoso racimo de uvas y se abalanza para agarrarlo, pero no puede saltar lo bastante alto; fruto de la desesperación, abandona el intento y afirma que seguramente esas uvas es-taban muy verdes y que, en realidad no las quería. La zorra representa a «los físicos» y las uvas son «la comprensión de la mecánica cuántica». Mu-chos investigadores han decidido que, en el fondo, comprender cómo fun-ciona la naturaleza no es tan importante; lo que de verdad importa es la capacidad de hacer predicciones particulares.

Los científicos están formados para dar valor a los resultados tangi-bles, ya sean fascinantes hallazgos experimentales o modelos teóricos cuan-titativos. Puede resultar difícil vender la idea de trabajar para comprender una teoría de la que ya disponemos, un esfuerzo que, además, puede que no lleve a ninguna nueva tecnología ni predicción. Esta tensión queda ilustra-da en la serie de televisión The Wire, donde un grupo de esforzados detec-tives se afana con meticulosidad durante meses para acumular pruebas y así respaldar una acusación contra una red de narcotraficantes; sin embar-go, sus superiores no tienen paciencia para tanto detallismo, solo quieren ver las drogas encima de la mesa para la próxima rueda de prensa y ani-man a la policía para que actúe y haga unas cuantas detenciones espectacu-lares. Los organismos financiadores y los comités de contratación son como estos superiores. En un mundo en que todos los incentivos nos empujan a resultados concretos y cuantificables, es fácil apartar del camino las preo-cupaciones más generalistas y menos apremiantes para dejar paso a los que se lanzan al siguiente objetivo inmediato.


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Este libro tiene tres mensajes relevantes. El primero es que la mecánica cuántica tiene que ser comprensible (aunque sea algo que no hayamos lo-grado, todavía) y lograr esta comprensión tendría que ser un objetivo prio-ritario de la ciencia actual. La mecánica cuántica es única entre las teorías físicas porque traza una aparente distinción entre lo que vemos y lo que es. Esto plantea un reto a las mentes de los científicos (y de cualquiera), acostumbradas a pensar que lo que vemos es «lo real», sin más problemas, y a explicar las cosas de acuerdo con esta idea. Pero este reto no es insupera-ble, y si liberamos nuestras mentes de algunas maneras de pensar, intuiti-vas pero anticuadas, descubriremos que la mecánica cuántica no es irreme-diablemente esotérica o inexplicable. Es física, nada más.

El segundo mensaje es que hemos conseguido avances reales hacia esta comprensión. En este aspecto, me centraré en el enfoque que creo que es la ruta más prometedora: la formulación de Everett de la mecánica cuántica, también llamada de universos paralelos o de múltiples mundos. Esta formulación ha sido recibida con entusiasmo por muchos físicos, pero tiene una reputación algo dudosa entre muchas personas, que se sienten incómo-das con la proliferación de otras realidades con copias de ellas mismas. Si eres una de estas personas, por lo menos me gustaría convencerte de que la formulación de los universos paralelos es la forma más pura para poder dar sentido a la mecánica cuántica; es el lugar al que vamos a parar si nos deja-mos llevar por el camino que exige menos esfuerzo cuando nos tomamos en serio los fenómenos cuánticos. En concreto, los universos paralelos son pre-dicciones del formalismo que ya se utiliza, no es algo añadido a mano. Ahora bien, la teoría de universos paralelos no es el único enfoque respeta-ble, de modo que mencionaremos algunos de sus competidores más relevan-tes (intentaré ser justo, aunque no siempre temperado). Lo importante es que todos estos diversos enfoques son teorías científicas bien elaboradas, con diversas posibles ramificaciones experimentales, y no meras «interpretacio-nes» nebulosas que podemos debatir acompañados de un café, una copa y un puro después de haber acabado el trabajo de verdad.

El tercer mensaje es que todo esto es importante, y no solo para la inte-gridad de la ciencia. El éxito que ha tenido hasta la fecha el marco concep-tual de la mecánica cuántica, suficiente pero no del todo coherente, no de-bería ocultarnos el hecho de que hay situaciones en las que este enfoque no está a la altura, así de simple. En particular, cuando queremos comprender la naturaleza del espacio-tiempo y el origen y el destino final de todo el universo, las bases sobre las que se sustenta la mecánica cuántica son esen-ciales. Presentaré algunas propuestas nuevas, fascinantes y, debo admitir-



lo, algo vacilantes que establecen provocadoras conexiones entre el entrela-zamiento cuántico y la manera en que se pliega y se curva el espacio-tiempo (es decir, el fenómeno que tú y yo conocemos como gravedad). Hace ya muchos años que se admite que la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad completa y convincente es un importante objetivo científico (pres-tigio, premios, intentar reclutar el profesorado de otros centros y todas esas cosas). Tal vez el secreto no sea partir de la gravedad e intentar «cuantizar-la», sino escarbar a fondo en la propia mecánica cuántica y descubrir que la gravedad siempre había estado ahí, acechando.

No lo sabemos con certeza. He aquí la emoción y el entusiasmo de la investigación de vanguardia. Pero ha llegado el momento de tomarse en serio la naturaleza fundamental de la realidad, y esto significa tener que abordar de frente la mecánica cuántica.


ÍNDICE

Prólogo. No tengas miedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Primera parte ESPELUZNANTE

1. ¿Qué está pasando?Una mirada al mundo cuántico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2. Una formulación atrevidaLa mecánica cuántica austera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3. ¿A quién se le ocurrió esto?Cómo surgió la mecánica cuántica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4. Lo que no se puede saber porque no existeIncertidumbre y complementariedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5. Entrelazado en la tristezaFunciones de onda con muchas componentes . . . . . . . . . . . 89

Segunda parteBIFURCACIONES

6. Un universo bifurcadoDecoherencia y mundos paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7. Orden y aleatoriedadCómo aparece la probabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

8. ¿Es obeso este compromiso ontológico?Un diálogo socrático sobre enigmas cuánticos . . . . . . . . . . . 145

9. Otros caminosAlternativas a los universos paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169



10. El factor humanoVivir y pensar en un universo cuántico . . . . . . . . . . . . . . . 195

Tercera parteESPACIO-TIEMPO

11. ¿Por qué existe el espacio?Emergencia y localidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

12. Un mundo de vibracionesTeoría cuántica de campos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

13. Respirar en el vacíoLa búsqueda de la gravedad en la mecánica cuántica . . . . . 249

14. Más allá del espacio y del tiempoHolografía, agujeros negros y los límites de la localidad . . 271

Epílogo. Todo es cuántico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

Anexo. La historia de las partículas virtuales . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299Notas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301Lecturas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311


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