Tres limitaciones esenciales de la ciencia moderna (Parte I)

Actualmente existe la sensación de que la ciencia moderna seguirá avanzando indefinidamente y que finalmente descubrirá una teoría completa y consistente del universo. No obstante, por muchos grandes avances que haga la ciencia moderna, también se ha ido descubriendo sus limitaciones.

Algunos de los descubrimientos más grandes de la ciencia moderna son los descubrimientos relativos a sus propias limitaciones. En varios campos de la cultura occidental que están profundamente relacionados con el desarrollo de la ciencia moderna se han descubierto limitaciones fundamentales una y otra vez; en ocasiones distintas y por medio de personas distintas.Estas limitaciones reducen el alcance de la ciencia moderna.

En tres áreas claves, los problemas esenciales comparten el tema común de las paradojas. Así, en el corazón de la física moderna, el principio de Indeterminación persiste incluso en teorías avanzadas más allá de la mecánica cuántica. En la lógica formal, que es la herramienta más conocida para la modelización del razonamiento y entendimiento humanos, cae rápidamente en paradojas. Incluso en la filosofía, que todavía juega un papel fundamental en el avance de las ciencias modernas como la física, el dualismo y la paradoja son inevitables en las deducciones racionales sobre la naturaleza del universo.

Está claro que la ciencia moderna seguirá avanzando en la física y en ciencias menos duras, menos rigurosas y exactas, como la biología. Sin embargo, existen problemas fundamentales que no se pueden resolver ni con más tiempo de investigación. Estas limitaciones sugieren que el punto de partida de la ciencia moderna, que delimita el universo como si se pudiera introducir en una caja, puede ser seriamente defectuoso.

El principio del fin de la mecánica clásica

Cuando se calienta un trozo de material, se pone al rojo vivo, y a temperaturas más altas se vuelve blanco. Durante mucho tiempo, las leyes conocidas de la radiación y el calor no podían explicar este fenómeno común.

El físico alemán Dr. Max Planck, considerado el fundador de la teoría cuántica, ha luchado para dar una interpretación del fenómeno en el plano atómico. Finalmente, tras un intenso trabajo durante el año 1900, Planck concluyó a su pesar que un átomo radiante sólo puede emitir “cuantos” (quantums) discretos de energía.

Fue muy reacio a esta conclusión porque es contraria a las leyes establecidas de la física clásica, que no imponen una constante fija sobre niveles de energía. Más tarde, las conclusiones de Planck sobre los “cuantos” de energía se convirtieron en un cimiento importante para la teoría cuántica, y fue solo el principio de los conflictos entre la teoría cuántica y la teoría clásica más sensata de Newton.

La mecánica clásica está estrechamente relacionada con nuestra experiencia diaria del mundo. No obstante, los átomos y las partículas subatómicas parecen poseer características muy diferentes a nuestra experiencia común del mundo.

Auge de la mecánica cuántica

A partir de las anomalías persistentes y los datos experimentales acumulados, que contradicen la mecánica clásica, los físicos se vieron obligados a desviarse radicalmente de la física clásica de Newton y aventurarse en el camino largo y sinuoso hacia la mecánica cuántica.

Otro físico alemán, el Dr. Werner Heisenbeg, que descubrió el principio de la indeterminación o Incertidumbre, en su libro Física y Filosofía: La Revolución en la Ciencia Moderna, afirmó: “Recuerdo conversaciones con Bohr que duraban muchas horas hasta muy tarde por la noche y acababan prácticamente en la desesperación; y cuando yo salía al final de la conversación a pasear por el parque de al lado, me repetía a mí mismo una y otra vez: ¿Acaso puede la naturaleza ser tan absurda como nos parecía en estos experimentos atómicos?”.

De todas maneras, a pesar de las dificultades conceptuales, la mecánica cuántica se ha convertido en uno de los formalismos de la ciencia moderna que más éxito tiene. En un principio, la mecánica cuántica puede describir la miríada de fenómenos físicos y propiedades químicas de la materia con una precisión increíble. Además, sus aplicaciones han influenciado profundamente el desarrollo de nuestra sociedad moderna y tecnológica.

El Dr. Michio Kaku, profesor de física teórica en el City College of New York, en su libro Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe escribe: “Las consecuencias de la mecánica cuántica están por todas partes. Sin la mecánica cuántica, una plétora de objetos familiares, como la televisión, los láseres, ordenadores, y la radio, serían imposibles. Por ejemplo, la ecuación de onda de Schrödinger explica muchos hechos previamente conocidos pero misteriosos, como la conductividad. Este resultado llevó a la invención del transistor, lo que a su vez es el resultado de un fenómeno puramente de mecánica cuántica”.

El enorme éxito de la mecánica cuántica procede de su formalismo que describe con precisión una miríada de fenómenos microscópicos, pero resulta que es también en ese microcosmos donde la mecánica cuántica tiene limitaciones fundamentales.

El Principio de indeterminación o incertidumbre

Un aspecto central de la mecánica cuántica es el principio de indeterminación de Heisenberg. Según este principio, es imposible medir tanto la posición como el momento de un corpúsculo atómico o subatómico en un tiempo determinado.

Cuando se mide la posición con más precisión, el momento se mide con menos precisión, y viceversa. Si se mide una posición con absoluta precisión, se desconoce el momento por completo, y viceversa.

Aunque Heisenberg presentó el principio de indeterminación en 1927, sigue siendo igual de relevante hoy en día. La incapacidad de medir con precisión tanto la posición como el momento de corpúsculos microscópicos no se debe a alguna limitación de la tecnología actual. Según muchos físicos, se trata de una limitación inherente, imposible de resolver incluso por los futuros avances de la tecnología.

En el libro Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe, Kaku escribe, “El principio de indeterminación hace imposible predecir el comportamiento preciso de átomos individuales, mucho menos del universo”. Y según el Dr. Brian Greene, de la Universidad de Columbia, uno de los teóricos principales de la teoría de cuerdas, cualquier futuro avance en esta teoría tendrá que incorporar el principio de indeterminación para convertirse en una teoría completa que explique los fenómenos cuánticos observados.

Greene explica en su libro The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory que el principio de indeterminación no es solo una cuestión de interrupciones causadas por las técnicas de medición: “Incluso sin ‘golpes directos’ de fotones interrumpidos por un experimentador, la velocidad del electrón cambia radical e impredeciblemente de un momento a otro. (…) Incluso en el ambiente más tranquilo imaginable, como una región de espacio vacío, el principio de indeterminación nos indica que desde el punto de vista microscópico hay una actividad tremenda”.

Heisenberg creía que el principio de indeterminación surge del dualismo de la propiedad de los corpúsculos atómicos y subatómicos; entre onda y partícula. Este dualismo no solo está incluido en el esquema matemático de la mecánica cuántica. La dualidad puede inferirse también de unos experimentos sencillos.

Los experimentos parecen demostrar que los corpúsculos atómicos y subatómicos tienen características tanto de una partícula como de una onda. Una partícula ocupa un área pequeña en el espacio y puede colisionar con otras partículas, como objetos sólidos. En cambio, una onda se propaga por el espacio y puede pasar a través de otras ondas. Estas descripciones entre partícula y onda parecen ser nociones opuestas y enfrentadas.

¿Cómo es posible que una cosa sea partícula y onda al mismo tiempo? Cuando un simple electrón se considera bien partícula, o bien onda, y no ambas cosas, el resultado es una explicación incompleta del fenómeno observado. Por otro lado, cuando los aspectos de una partícula y una onda se combinan para formar una teoría completa sobre un fenómeno observado, surgen contradicciones.

Según Heisenberg, los intentos de describir acontecimientos atómicos en términos de física clásica llevan a contradicciones porque esas partículas microscópicas no son como los objetos comunes de nuestra experiencia cotidiana. En la mecánica newtoniana, cada objeto tiene una posición y un momento determinados en un tiempo determinado, y el objeto seguiría un solo trayecto de movimiento. En otras palabras, el movimiento de la materia es completamente determinista, existiendo un único resultado futuro. Cuando se conocen la posición y el momento de un objeto, su movimiento puede predecirse con cálculos matemáticos precisos.

La mecánica newtoniana ha tenido mucho éxito en describir y predecir los movimientos planetarios celestiales y los acontecimientos en la tierra también. Sin embargo, no logra describir los fenómenos de acontecimientos atómicos y subatómicos.

En contraste a la física clásica de Newton, según Heisenberg, los eventos atómicos son “una extraña especie de realidad física justo entre la posibilidad y la realidad”, parecida al concepto de potencialidad en la filosofía de Aristóteles. En la mecánica cuántica, los eventos atómicos y subatómicos se describen en términos de probabilidades o tendencias. La mecánica cuántica introdujo el concepto de la indeterminación en los cimientos de la física moderna.

Esto fue un salto gigantesco de la mecánica clásica de Newton que dominó la física durante siglos. También fue una desviación radical de la teoría de la relatividad. Einstein rechazó esta interpretación de la mecánica cuántica precisamente por este punto de la indeterminación, y sugirió en una carta al físico Dr. Max Born que “Dios no juega a los dados”.

En Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science, Heisenberg escribió: “El cambio en el concepto de la realidad que se manifiesta en la teoría cuántica no es una simple continuación del pasado; parece ser un cambio verdadero en la estructura de la ciencia moderna”.

Cuestiones en la interpretación de la nueva física

Aunque la mecánica cuántica ha tenido mucho éxito, debemos recordar que ésta solo describe y predice fenómenos físicos observables; no describe la realidad interna de la materia física. De hecho, a medida que avanzaba la mecánica cuántica, se desarrollaban interpretaciones diferentes y contradictorias de sí misma, incluso entre físicos eminentes.

Una de las primeras interpretaciones de la mecánica cuántica es la interpretación de Copenhague, promovida por un físico danés, el Dr. Niels Bohr. Esta interpretación afirma que “no existe una realidad profunda”, y que los átomos, electrones, y fotones no existen como los objetos de nuestra experiencia cotidiana. Según esta interpretación, un fenómeno sólo llega a existir al ser observado. Una vez Bohr lo describió de esta manera: “No existe el mundo cuántico. Solo existe una descripción cuántica abstracta”.

Por otro lado, Einstein era “realista”, y creía que la mecánica cuántica es sencillamente incompleta y que existe una realidad determinista oculta detrás de los fenómenos cuánticos que podría descubrirse en el futuro. Aunque Einstein formaba parte de una pequeña minoría de físicos que sostenían este punto de vista, hay físicos eminentes que también hicieron grandes contribuciones al desarrollo de la mecánica cuántica y que eran realistas.

Planck creía en un mundo objetivo independiente del observador, y se oponía férreamente a la visión del mundo indeterminista de Heisenberg, Bohr, y Born. El Dr. Louis de Broglie, más conocido por su descubrimiento de la naturaleza de onda de los electrones, se alineaba con la interpretación estadística, pero después de pelear con ella durante muchos años, finalmente se asentó en una postura realista.

El Dr. Edwin Schrödinger, quien desarrolló la mecánica ondulatoria, también era realista, y dedicó mucho tiempo al final de su vida a oponerse a la interpretación estadística de la teoría cuántica que tanto había ayudado a crear.

Aproximadamente después de una década del fallecimiento de Einstein, el físico irlandés Dr. John Stewart Bell demostró que la postura realista requiere que ciertas fuerzas deben poder viajar más rápidamente que la velocidad de la luz para explicar ciertos fenómenos cuánticos observables. Y puesto que esto contradice el fundamento de la teoría establecida de la relatividad, muchos físicos rechazan la postura realista.

En 1957, el Dr. Hugh Everett III presentó la interpretación de universos paralelos, que parece resolver el problema de la medición cuántica. En la interpretación de universos paralelos, se crean muchos mundos para los distintos resultados posibles de cada acto de medición. Por ejemplo, cuando se tira una moneda a cara o cruz, aunque solo observamos un resultado, los demás resultados posibles ocurren en universos paralelos creados al instante. Esta interpretación es considerada como absurda por notables físicos y filósofos.

Lo anteriormente expuesto es solo una muestra pequeña de los intentos para dar una interpretación completa de la mecánica cuántica. Hay muchas interpretaciones. El Dr. Nick Herbert comparó ocho de ellas (incluyendo las anteriormente descritas) y escribió en su libro Quantum Reality: Beyond The New Physics: “Un aspecto asombroso de estas ocho realidades cuánticas es, sin embargo, que experimentalmente son indistinguibles. Por todos los experimentos actualmente concebibles, cada una de estas realidades predice exactamente los mismos fenómenos observables (…) Todas son, sin excepción, absurdas”.