Conversando con mi profesor de física

Hace un par de días mi amigo de tantos años Héctor Torres Silva, que también fue mi profesor en la universidad, me invitó a almorzar para que celebrar mi cumpleaños. Como no puedo dejar la casa sola, le dije que mejor nos juntáramos en mi casa. Fue una gran idea.

Llegó como a las seis de la tarde con una pizza grande, a mi me había sobrado mucha cerveza, vino y media botella de pisco Artesanos de Cochihuaz, así es que estábamos perfectamente equipados para pasar un buen rato conversando, cosa que hicimos hasta pasadas las dos de la madrugada.

Así, entre vino y piscolas, nos dedicams a hablar de todo, especialmente de matemáticas y física, cosas en las que Tito es un auténtico genio. Aprendo muchísimo con mis ingenuas preguntas sobre asuntos que me interesan. 

A estas alturas yo soy un cero a la izquierda en matemáticas pero Tito se mantiene en la primera línea, así es que trato de sacarle cosas de lo que sabe, a ver si logro entender algo de manera intuitiva. Siempre he tenido una enorme curiosidad por la física y el electromagnetismo.

Muchas cosas me quedaron dando vueltas de esa conversación y me acordé de algunos desacuerdos que hemos tenido acá mismo con Wilson sobre la naturaleza del conocimiento y el azar.

He escrito muchas veces que -a mi modo de ver y solo por intuición- todo ocurre originalmente por azar. Wilson en cambio piensa que el azar verdadero no existe sino que se trata solo de falta de información, que todas las cosas que pasan son por una cadena de causas y efectos que -muchas veces- son demasiado complicadas para que podamos entenderlas, pero eso no significa que existan efectos sin causas.

Esa es la idea que lo que nosotros pensamos que es fortuito solo es ignorancia debido a una extrema complicación y que todo lo que pasa en el universo forma parte de una especie de mecanismo de relojería, extremadamente complicado pero -al menos en teoría- siempre predecible.

Bueno, resulta que esa discusión de curados, que yo creía que era solo nuestra, se viene dando hace cerca de cien años en la física. En 1905 Einstein dio una explicación al efecto fotoeléctrico y en 1909 la dualidad de la luz como onda-partícula, con esto dio las bases de lo que hoy conocemos como Mecánica Cuántica.

En el fondo la Mecánica Cuántica es un modelo matemático, o para entendernos mejor, un conjunto de ecuaciones que explican algunas cosas que se observan a nivel de los átomos a partir de ciertos experimentos.

Resulta que de estas ecuaciones aparece una consecuencia muy rara que es el indeterminismo y la no localidad. Podríamos hacer la siguiente comparación a nivel macroscópica: supongamos que recibo una bolsa que puede tener una bola blanca o negra.

El determinismo, es decir todas las ideas científicas hasta ese momento decían que la bola es de alguno de esos colores antes que abramos la bolsa, o sea el color es independiente de lo que sepamos nosotros. 

Eso parece obvio para cualquiera de nosotros, la experiencia de toda la vida nos dice que las cosas existen con independencia de si las conocemos o no y eso se puede comprobar fácilmente con alguien que -por ejemplo- mire la bola antes de pasarnos la bolsa y compruebe su color. 

Es imposible que su color cambie cuando nosotros la miramos porque su color no depende de nosotros. Pero resulta que las ecuaciones decían que a nivel atómico, cosas como el spin o la polarización de la luz, si dependen del observador y pueden cambiar de manera imprevisible.

Resulta que la Mecánica Cuántica puede hacer predicciones con una exactitud fantástica siempre y cuando se acepte el "Principio de Superposición", 

Einstein fue el primero en darse cuenta que su invento podía tener implicaciones monstruosas y a mediados de los años veinte empezó a criticar la Mecánica Cuántica que él mismo había creado.

Para poner en evidencia que la Mecánica Cuántica debía estar mal ideó un "experimento imaginario" que describió en un famoso artículo "paradoja EPR" (Einstein-Podolsky y Rosen)

Por ejemplo la luz de un laser puede estar polarizada horizontal o verticalmente, si la hacemos pasar por un filtro polarizador la luz pasa o no según su polarización. 

En el experimento proponía enviar dos fotones desde una misma fuente, según como estuviesen polarizados atravesarían o no los filtros. cosa que se mediría con un detector. Al llegar al detector, ambos fotones deberían tener la misma polarización que tenían al salir de la fuente. 

Pero según las matemáticas de la Mecánica Cuántica el resultado era probabilístico y en el detector podría recibirse polarizaciones distintas. Lo que violaba el Principio de Localidad, es decir se estaría transmitiendo información a velocidad mayor que la luz. Recordemos que los fotones viajan a la velocidad de la luz.

Entonces empezó una de las polémicas más enconadas entre Einstein y los fisicos de la Escuela de Copenhague. Cos su experimento imaginario Einstein los remató diciendo que si se separaban el emisor y receptor -por ejemplo- cientos de kilómetros, esa superposición sería imposible sin violar el Principio de Localidad.

El impacto de esta crítica fue devastadora para Bohr y la Escuela de Copenhagen, que había desarrollado el aparato matemático de la Mecánica Cuántica. Einstein afirmaba que ese modelo era equivocado o bien incompleto, porque conducía a una contradicción lógica insuperable.

Según Einstein lo más probable era que existiesen "variables ocultas", o sea factores hasta el momento desconocidos y entonces dijo una de sus famosas y desafortunadas frases para graficarlo "no tengo dudas que la luna brilla aunque yo no existiera".

El problema es que las ecuaciones de la Mecánica Cuántica eran de un poder predictivo y con una exactitud enorme. Cada vez que había discrepancias entre un experimento y la predicción matemática, el error era de la medición,

Con una teoría así de exitosa la mayoría de los científicos dejaron de preocuparse del asunto. Para efectos prácticos todos consideraban que la Mecánica Cuántica era correcta y dejaron de lado el debate si existía una "realidad" independiente del observador, por inconducente. Un puro asunto de creencias imposibles de dilucidar.

Hasta 1964, cuando aparece John Bell que se acordó de esa polémica que ya casi estaba olvidada y propuso una forma práctica de implementar el experimento imaginario EPR, haciendo girar uno de los detectores de fotones y contabilizando el número de errores de la detección. 

Bell encontró matemáticamente que -para ciertos ángulos- el número de errores calculados con la matemática cuántica es diferente de los calculados con el modelo clásico, es decir determinista.

Después de una gran faramalla de matemáticas esto se formalizó en el Teorema de Bell que decía -de manera muy simplificada- que el número de errores si la realidad era clásica debería ser menor o igual a un cierto valor. Si la realidad era indeterminista los errores debían ser un número mayor a ese.

Una forma más sencilla todavía de decir esto es la Imposibilidad de Bell que dice que "Ninguna teoría física de variables ocultas locales puede reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica".

Con eso le pone la sepultura a la idea de Einstein y otros que la Teoría Cuántica era incompleta y que debían existir variables ocultas: hay predicciones de la Física Cuántica de superposición que no pueden tener variables ocultas. Las ecuaciones cuanticas son correctas y completas.

Leo en Wikipedia: "(el Teorema de Bell) Dadas sus implicaciones en el plano de la no localidad, supuso la consagración definitiva de la física cuántica frente a otras teorías de variables ocultas y es considerado por la mayoría de físicos del mundo como el descubrimiento más profundo de la historia de la ciencia".

¿Por qué es tan "profundo"? Porque demuestra que -al menos a nivel atómico- no existe la causalidad, el azar es verdadero y no solo falta de información, hay cosas materiales que no existen con independencia del observador, es decir no son "reales" independientes si alguien las ve o no.

Hay características físicas que solo se determinan en el instante que son observadas y que si nadie las observa no existen. 

Y por si todavía quedan dudas sobre esto, en el año 1981 por fin un señor llamado Alan Aspect hizo la comprobación experimental del Teorema de Bell, este experimento se ha repetido en todo el mundo,

Ya se considera un hecho comprobado que -al menos en el mundo de los fotones no existe la causalidad, los mecanismo no son de causa-efecto sino completamente probabilísticos y por lo menos existe cierto tipo de información que se propaga de manera instantánea, a una velocidad mayór que la de la luz.