Читать книгу Els dèficits de la realitat i la creació del món - Ramon Lapiedra Civera - Страница 9

Pròleg a la primera edició

El lector d’aquest llibre del professor Lapiedra hi trobarà una quantitat d’aspectes molt interessants de la física que en alguns moments el mantindran en suspens, per la discussió freqüent de situacions contradictòries amb el sentit comú dels sers humans. Però, globalment, el llibre podria considerar-se com un assaig de tipus epistemològic. El plantejament de com una teoria actual del coneixement ha d’incorporar una visió de la realitat objectiva de la natura capaç de satisfer tots els ingredients de la mecànica quàntica conduirà necessàriament a la conclusió d’uns dèficits ontològics, en paraules de l’autor Lapiedra. Contràriament al sentir d’Einstein, no sempre es poden assignar elements de realitat als objectes de la natura perquè, en la mecànica quàntica, no sempre es pot fer una descripció separada i ben definida d’aquests objectes; hi ha correlacions insalvables que no permeten identificar-ne les parts separadament.

Però l’anàlisi del llibre no es queda solament en aquest punt sinó que, a partir de la descripció quàntica de la realitat, l’autor s’embarca en un doble exercici de plantejar preguntes i suggerir problemes que han ocupat les ments de el ser humà al llarg de la història de la civilització: en què consisteix la consciència? En què, el lliure albir? Com pot haver-hi un origen de l’Univers a partir del buit, del no-res?

En la història de l’avanç del coneixement, el descobriment de la mecànica quàntica en el segle XX –que explica tot un conjunt de nous fenòmens coneguts com a física quàntica–, es col·loca al nivell de la revolució científica originada en el segle XVII per la nova metodologia de descriure la natura iniciada per Galileu i Newton: el mètode científic. Al voltant del 1900, molts fenòmens físics coneguts experimentalment no podien ser explicats per la física clàssica. En un principi, la mecànica quàntica va sorgir per a proporcionar una descripció de la matèria i la radiació sobre una escala microscòpica de l’ordre d’1Å=10^–10 metres,¹ molt més enllà del que els nostres sentits son capaços de percebre i de resoldre. Per poder penetrar en aquestes lleis fonamentals de la natura, van caldre un gran enginy i imaginació. L’acceptació per part de la comunitat científica d’idees tan revolucionàries com les propietats ondulatòries de la matèria (els electrons són difractats!) o les propietats corpusculars de la radiació (els fotons!) va desencadenar en uns quants anys un avanç conceptual i fenomenològic sense precedents. D’acord amb la física clàssica, donat un conjunt definit de condicions inicials i el coneixement de les forces que hi actuen, és possible determinar el comportament del sistema físic sense ambigüitat; és a dir, si hi ha un conjunt de mesures repetides en condicions idèntiques, els resultats d’aquestes mesures seran idèntics. Al contrari, la mecànica quàntica prediu que el comportament de la natura és indeterminista i que tota la informació sobre esdeveniments físics ve donada en termes de probabilitats. El desenvolupament de la física quàntica al llarg del segle XX ha mostrat que el seu domini d’aplicació s’estén al comportament de la matèria a totes les escales i que fenòmens macroscòpics de la grandària de l’escala humana com la incompressibilitat de la matèria agregada, la superconductivitat o la superfluïdesa, només poden ser comprensibles en termes quàntics.

La teoria quàntica va nàixer en 1900, quan Max Planck va necessitar incorporar en la fórmula que explicava la radiació emesa per un cos calent un ingredient contrari a la física clàssica: l’energia emesa o absorbida per les vibracions dels àtoms del cos calent només pot prendre valors múltiples d’una energia elemental, un quàntum energètic proporcional a la freqüència de la radiació. Això significa que la natura és selectiva en les quantitats energètiques que un cos pot absorbir o emetre! i que no tots els valors de l’energia són possibles.

A partir de Planck, es va produir un moviment irresistible que va dur a aplicar el concepte de salt energètic als fenòmens microscòpics dels àtoms i la radiació. En 1905, Albert Einstein va ser consistent quan proposà que, si l’energia dels oscil·ladors atòmics en emetre o absorbir radiació prenia valors discrets, la radiació hauria de consistir en quàntums energètics: els fotons. Amb els fotons, Einstein explica l’efecte fotoelèctric, l’emissió d’electrons d’un metall a partir de radiació incident. Aquest fenomen presentava propietats radicalment contràries a la física clàssica, i la idea dels fotons va aconseguir explicar-les. En 1913, Niels Bohr incorpora les noves idees quàntiques a la seua teoria de l’àtom d’hidrogen. Aquests i altres èxits inicials de les idees quàntiques van preparar el camí per al naixement de la nova teoria quàntica, desenvolupada ràpidament a partir de 1924.

La mecànica quàntica s’ha revelat com la ferramenta més poderosa per a comprendre i predir tot tipus de fenòmens físics i està en els fonaments dels desenvolupaments tecnològics de més èxit de la segona meitat del segle XX. Aplicada a àtoms i molècules, la mecànica quàntica és la base i el futur de la química moderna pel fet que explica l’enllaç químic. En els sòlids, els electrons són atrets pels ions que formen part de la xarxa cristal·lina; quan aquesta interacció és tractada quànticament, els nivells d’energia del material formen sèries de valors molt junts, les bandes energètiques separades entre si per salts d’energia prohibida. La teoria de bandes permet explicar el comportament dels conductors, dels aïlladors i dels semiconductors, tan usats en la tecnologia electrònica dels temps actuals. El transistor és un dispositiu que permet una gran amplificació del corrent elèctric en petites dimensions. Les tècniques modernes de manipulació de materials permeten l’elaboració d’heteroestructures el comportament de les quals depén de fenòmens quàntics. Han aparegut tot un conjunt de nous dispositius: els làsers de semiconductors, els pous quàntics, els microscopis d’efecte túnel... Més coneguts socialment són instruments com el TAC o la ressonància magnètica d’aplicació en medicina. La connexió entre la física quàntica i la tecnologia en l’àrea de materials és tan estreta que una distinció real entre els dos camps quasi ha desaparegut. El segle XX és identificat com el segle quàntic. En la física de partícules elementals s’han arribat a explorar distàncies de l’ordre d’una centmilionèsima part (10^–8) de les distàncies atòmiques, i no s’hi ha pogut detectar cap desviació dels postulats de la mecànica quàntica.

Però, paradoxalment, a pesar del vast domini en què hem aconseguit utilitzar la física i la tecnologia quàntiques, la interpretació del nucli bàsic de la teoria segueix sotmés a múltiples debats. És en aquest punt on el present llibre aporta components interessants, des de la difusió dels problemes continguts, passant per la discussió de com la mecànica quàntica aborda el coneixement de la realitat objectiva i quines són les implicacions sobre aquesta realitat, fins arribar a plantejar si aquesta nova realitat permet abordar vells problemes com la consciència humana o l’origen de l’Univers. El primer aspecte quàntic que es discuteix en el llibre és el caràcter probabilista, indeterminista, en la predicció científica del resultat de mesura d’una magnitud física observable: dos sistemes físics preparats idènticament poden donar lloc a resultats diferents de mesures repetides. Això no vol dir que la mecànica quàntica no és predictiva; ho és, però en termes de distribucions de probabilitats per a cadascun dels resultats possibles de la mesura. Els límits a la predictibilitat estan exemplificats en les famoses relacions d’incertesa de Heisenberg: l’especificació de la posició d’una partícula amb una incertesa està correlacionada amb un límit a la precisió amb què l’impuls d’aquesta partícula pot ser simultàniament conegut. La manera quàntica de compondre probabilitats quan es tenen dues alternatives per a un procés és ondulatòria, segueix les lleis de superposició lineal que tenen les ones. D’aquesta manera es fan aparents les propietats ondulatòries que la mecànica quàntica assigna a les partícules, contràriament a la física clàssica. El comportament ondulatori que De Broglie va postular en 1924 correspon a ones de probabilitat.

Un segon aspecte –que potser continua tenint força dificultats conceptuals encara avui–, és el de l’evolució acausal d’un sistema físic associada amb el problema de la mesura. És el famós problema de la dicotomia sistema físic-observador. Potser ningú discuteix la consistència lògica d’exigir que, després del resultat de mesura de l’observable, el sistema físic, siga quin siga l’estat abans de la mesura, haja de col·lapsar en l’estat propi associat amb el corresponent resultat de mesura. És l’única manera de garantir que, si es torna a mesurar després (una mesura successiva, no una mesura repetida), ha de donar el mateix resultat. El problema conceptual és quan i com es produeix el col·lapse des de l’estat immediatament abans a immediatament després de la mesura. Aquest aspecte de falta de realitat objectiva en un sistema quàntic –que quedarà més patent després– molestava Einstein molt més que la falta de determinisme. Les solucions més buscades a aquest problema, que permeten donar una solució a la paradoxa (i a la salut!, segons Omnès) del gat de Schrödinger –extensament discutida pel professor Lapiedra en aquest llibre–, reconeixen que en la interacció amb un objecte macroscòpic –l’aparell de mesura– hi ha aspectes d’irreversibilitat i decoherència que no permeten reconstruir la història anterior. El professor Lapiedra, com altres autors, assenyala que aquest comportament podria ser degut a la mera interacció entre el sistema quàntic i l’objecte macroscòpic que és l’aparell de mesura. John Bell considerava plausibles totes aquestes explicacions, però no contingudes en la pròpia teoria. Segons ell, consistien en un FAPP –per a tots els propòsits pràctics. Almenys, en aquestes interpretacions, el comportament és objectiu i no cal que un observador humà prenga nota conscient del resultat per a provocar en el gat de Schrödinger l’estat col·lapsat de viu o de mort, el que està d’allò més d’acord amb la lògica quotidiana. L’aspecte més allunyat dels prejudicis –o de la filosofia– de la física clàssica, és el que avui en diríem no separabilitat dels sistemes quàntics correlacionats. La civilització occidental, des dels grecs, i la mateixa ciència metòdica, des del segle XVII, han suposat que per a entendre el comportament d’un objecte compost podem dividir-lo en parts. Això suposa que, no sols l’objecte sencer sinó també cadascuna de les parts, tenen una realitat ben definida: els elements de realitat, en paraules d’Einstein. Doncs bé, no és cert! Einstein li va negar la categoria de completesa a la teoria quàntica perquè és impossible assignar un estat quàntic ben definit a cadascuna de les dues partícules correlacionades i només es pot assignar un estat quàntic al sistema compost. Aquesta discussió, encapçalada per una famosa publicació d’Einstein, Podolsky i Rosen el 1935, era més bé filosòfica o epistemològica, i tampoc tenim una vareta màgica per a establir de manera definida –és a dir, sense matisos– què és el que vol dir realitat. La publicació en 1964 de les desigualtats de Bell va traslladar aquest debat interpretatiu i filosòfic al camp de la física, en demostrar el caràcter observable i mesurable d’aquestes correlacions quàntiques capaces de prendre valors més grans que els límits exigits per una descripció realista separable de tipus clàssic. Tots els experiments realitzats en els últims trenta anys per procedir a un test de les desigualtats de Bell han confirmat, més enllà de qualsevol dubte, les prediccions de la mecànica quàntica amb valors clàssicament prohibits.

I l’últim capítol en aquesta discussió de la no separabilitat de sistemes correlacionats, on el tot és més que la suma de les parts, està encara per escriure. O millor, està escrivint-se: és la nova teoria quàntica de la informació. L’ús d’estats quàntics entrellaçats no separables per a tecnologies de la informació i les comunicacions, ara en els seus balbuceigs, pot obrir desenvolupaments revolucionaris en criptografia, teleportació i computació quàntiques que no es podien imaginar fa tan sols uns quants anys... De la filosofia a la física, de la física a la tecnologia!

És la mecànica quàntica una teoria objectiva? És realista? La primera qüestió és, en part, pròpia de la física, mentre que la segona entra de ple en la filosofia. Segons Kant, diem que alguna cosa és objectiva si existeix fora de la ment humana, és a dir, com un objecte independent de la ment. La qüestió de l’objectivitat en mecànica quàntica prové sobretot del problema del col·lapse de l’estat quàntic com a producte de la mesura. Avui es pot dir que la interpretació subjectiva d’aquest col·lapse no és obligatòria i que existeixen interpretacions objectives que semblen plenament consistents. No és clar, però, que aquesta interpretació objectiva siga única; no obstant, almenys ens permet donar una resposta positiva a la primera pregunta. Quan s’especifica una propietat o s’arriba a una conclusió, la teoria quàntica només fa ús de fets ben establerts. La teoria no fa referència a cap cosa que tinga a veure amb la ment humana.

La definició de realisme no és tan clara, i l’autor d’aquest llibre assenyala acuradament que la realitat quàntica presenta dèficits ontològics. Parlar de realisme suposa una postura filosòfica, i no és clar que tot el món estiga d’acord en què vol dir que alguna cosa és real. És el contingut de les matemàtiques real i no merament un producte del raonament humà? A pesar de les dificultats que té definir el concepte de realisme, és clar que la mecànica quàntica hi imposa limitacions. En la discussió d’Einstein, Podolsky i Rosen podem canviar les propietats d’un sistema físic a través d’una acció que es fa molt lluny sobre un altre sistema –i recordem que es fa quan els dos sistemes ja no interaccionen. És fins i tot probable que la ciència no tinga per missió dir què és la natura, sinó donar una representació de la realitat natural. La construcció de la ciència és associada a la filosofia en tant que parlem d’una teoria del coneixement capaç de descriure la natura. És cert que hi ha altres representacions de la realitat, com la religió, la filosofia o l’art. Però hi ha un aspecte distintiu, el mètode científic, que va permetre separar la ciència de la filosofia natural. No és tampoc evident establir tots els detalls d’aquesta metodologia, però la comunitat científica potser estaria d’acord a dir que: a) la realitat ha de ser explorada per l’experiment i establir fets, classificar propietats i trobar regularitats; b) cal trobar un esquema conceptual capaç d’englobar tots els fets coneguts i ordenar-los; c) l’esquema ha de predir nous fenòmens que són descrits de manera definida; d) les prediccions han de ser sotmeses a verificació experimental. Els apartats a i d, és a dir, els experiments, pertanyen a la pura realitat. Per contra, b i c, és a dir, la teoria, són probablement representacions de la realitat. En el cas de la mecànica quàntica, l’acord impressionant entre teoria i experiment diu que, probablement, la representació de la realitat proporcionada per la teoria és, potser, la més pròxima imaginable a la realitat de la natura. Com hem vist, hi ha limitacions per a establir descripcions ben definides d’un sistema quàntic correlacionat i, per tant, la natura no segueix el camí d’un filòsof realista extrem. La situació oposada al realisme és el positivisme, on la clau del coneixement és l’acord entre les consciències humanes. No sé si el fet que la mecànica quàntica continga alguns components de positivisme és el que ha mogut l’autor a invertir el problema i pretendre arribar a la consciència humana a partir de la mecànica quàntica. És aquest un pas endavant que serà interessant seguir. Alguns deixebles de Niels Bohr van argüir, en les albors de la teoria quàntica, la possibilitat d’explicar el lliure albir com a conseqüència de la realitat quàntica. Però han hagut desenvolupaments tan importants en temps recents sobre la fonamentació de la mecànica quàntica que fins i tot propostes antigues apareixen avui amb una nova força.

Parlant de la realitat de la natura, el llibre també discuteix els avanços recents de la cosmologia. Fins al segle XX, la descripció de l’Univers com un tot pertanyia als dominis de la religió o de la filosofia. El descobriment, en la dècada de 1920, del desplaçament al roig de la llum emesa per les galàxies i, en conseqüència, de l’expansió de l’Univers, va iniciar l’entrada de la cosmologia com a disciplina científica en disposar, a més a més, de la relativitat general d’Einstein per a descriure l’espai-temps. Però només en temps recents ha deixat de ser un parent pobre de la família de la ciència fonamental, caracteritzat per les paraules de Landau: «sempre errant, però no mai dubtant». Potser, avui, la cosmologia és la ciència més interessant, plena de misteris, problemes no resolts, fenòmens no albirats, etc. Molts són els factors que han contribuït a aquest canvi radical, i m’agradaria comentar-ne dos: 1) el desenvolupament de nous mètodes teòrics, presos de la física de partícules, en la descripció de l’Univers primordial; 2) les noves tècniques i dispositius observacionals que van, més enllà dels telescopis òptics convencionals, a la radiació electromagnètica de totes les longituds d’ona, a les ones gravitacionals, als neutrinos, als raigs còsmics de molt alta energia, etc. En contra de l’argument que diu que la gravitació atractiva hauria d’estar frenant-ne l’expansió, les últimes mesures sobre l’expansió de l’Univers ens diuen que la velocitat d’expansió està accelerant-se. Quin és l’origen de l’energia fosca responsable d’aquesta acceleració? En el moment actual estem en plena revolució cosmològica, i l’autor del llibre prepara el camí per especular sobre les raons de l’origen de l’Univers, que en els primers 10^–45 segons després del Big Bang va estar regit per les lleis de la gravitació quàntica, encara desconegudes avui en la física fonamental. De l’Univers primordial tenim informació directa a través dels fòssils que ens han quedat d’aquella època: la radiació de fons de microones present a tot arreu i la proporció de nuclis atòmics lleugers sintetitzats en l’època del Big Bang.

Quan l’Univers, en l’expansió i en el refredament, va arribar a temperatures tan baixes que els electrons ja no podien escapar de la seua atracció elèctrica amb els protons, l’àtom d’hidrogen va ser format. Al mateix temps, la radiació electromagnètica es va desacoblar de la matèria pel fet que aquesta era neutra i va quedar per al futur com una radiació de fons. Aquest desacoblament va ocórrer 300.000 anys després del Big Bang, i la radiació, que conté informació detallada d’aquella època, és estudiada avui després de 14.000 milions d’anys. La mesura de les petites anisotropies de la radiació de fons permet obtenir els paràmetres cosmològics responsables de l’evolució de l’Univers amb molta precisió. A més d’una energia fosca que representa el 73 % del total, hi ha una matèria fosca també desconeguda que en representa el 23 %, i així queda tan sols una proporció del 4 % de matèria agregada del tipus conegut però, en gran part, encara no observada directament. El contingut total de matèria-energia proporciona una densitat crítica que prediu un Univers sense curvatura espacial.

Retrocedint en el temps, quan la temperatura de l’Univers donà als protons i neutrons energies típicament nuclears –és a dir, dels nuclis atòmics, amb valors cent mil vegades més grans que les energies atòmiques–, es van poder sintetitzar els nuclis lleugers. La presència avui d’aquests nuclis en l’Univers és un fòssil d’aquella època: la síntesi de nuclis lleugers només ve de l’Univers primitiu, quan aquest tenia un segon de vida. Contràriament al cas dels nuclis lleugers, els nuclis mitjans se sintetitzen avui a partir dels lleugers per reaccions de fusió nuclear en els estels, i els nuclis pesants, en els mecanismes de col·lapse i explosió de supernoves.

De les èpoques anteriors a un segon de vida es pot inferir informació sobre l’Univers a partir d’efectes molt subtils en les fluctuacions de temperatura que s’observen avui en la radiació de fons, però, sobretot, a partir de la física de partícules elementals desenvolupada en la segona meitat del segle XX. A 10^–5 segons va tenir lloc una transició de fase en què els quarks de la matèria fonamental van quedar confinats en els hadrons, particularment protons i neutrons. La temperatura era encara suficientment alta per a mantenir una situació d’equilibri dinàmic entre protons i neutrons a través del procés d’interacció feble

Pròxima a l’època de la nucleosíntesi (~ 1 segon), aquest equilibri es va trencar, i els neutrons, o bé es van desintegrar o bé van formar part dels nuclis lleugers. Els neutrinos, que només tenen interaccions febles, es van desacoblar, i han quedat com una altra radiació de fons, aquesta de neutrinos. La detecció d’aquests és molt més difícil que la de microones abans comentada, i qui trobe un mètode apropiat per a descobrir-la i estudiar-la, té garantit el premi Nobel. Retrocedint més en el temps, la física de partícules elementals ens diu que, als 10^–11 segons després del Big Bang, es va produir una altra transició de fase, aquesta electrofeble, en què la simetria de la interacció unificada es va trencar, els mediadors febles van desaparéixer i només van quedar, a més de les partícules de matèria, quarks i leptons, els fotons com a mediadors de la interacció electromagnètica. Del temps anterior als 10^–11 segons no tenim encara informació a partir de la física de partícules; el nou projecte del CERN, amb la construcció de l’accelerador LCH, s’endinsarà en aquesta regió. Hi ha moltes propostes teòriques per a omplir la regió entre els 10^–11 segons i els 10^–45 segons de la gravetat quàntica, però manquen de verificació experimental. Pensem que, en termes d’energia, aquest interval arriba fins a una energia 100.000 bilions –milions de milions– de vegades més gran que l’energia avui explorada en la física de partícules. El professor Lapiedra utilitza la descripció de la realitat proporcionada per la mecànica quàntica per exposar mecanismes possibles sobre l’origen de l’Univers i els seus primers instants del Big Bang.

Bé, ha arribat el moment en què jo deixe de parlar i li passe el testimoni al professor Lapiedra. Com el lector comprovarà, el llibre representa un esforç considerable de l’autor per comunicar els conceptes quàntics en un nivell interpretatiu; però –com deia abans– també ha de ser considerat un assaig de teoria del coneixement; és a dir, d’aquest pont entre la filosofia i la ciència que aborda com la mecànica quàntica afecta les nocions d’objectivitat i realitat en la natura, la consciència humana, el lliure albir i, a més a més, l’origen de l’Univers. Gràcies, Ramon, per aquesta peça de reflexió epistemològica i enhorabona! I, al lector, li desitge que gaudisca, pensant i raonant, del contingut del llibre com jo n’he gaudit.

JOSEP BERNABEU ALBEROLA

Universitat de València

València, juliol de 2003

1. La potencia negativa de 10 significa un nombre decimal on es troba un 1 en la posició indicada per l’exponent. Per exemple: 10^–1=0,1; 10^–2=0,01; etc.