En esta entrada de blog, examinaremos los antecedentes de la mecánica cuántica, los puntos principales de la interpretación de Copenhague y la interpretación de los muchos mundos, y cómo estas dos interpretaciones conciben la "observación", para luego reflexionar sobre el propósito de la mecánica cuántica.
Hace mucho tiempo en la historia de la física, Max Planck publicó un artículo con resultados experimentales basados en sus experimentos de radiación de cuerpo negro, afirmando que "toda la energía consiste en paquetes muy pequeños con valores discretos". Esto sacudió los cimientos de la visión predominante entre los físicos de la época, quienes creían que todos los fenómenos del mundo macroscópico podían explicarse mediante la mecánica newtoniana. A partir de entonces, con el avance de los equipos de medición y la capacidad de los físicos para observar el mundo microscópico, publicaron diversos resultados experimentales que revelaron las limitaciones de la mecánica newtoniana. Estos resultados, que no podían explicarse con las teorías existentes, pronto llevaron al reconocimiento de la necesidad de un nuevo marco mecánico; así nació la mecánica cuántica. La mecánica cuántica pronto consolidó su posición al proporcionar respuestas a fenómenos naturales que no podían resolverse con la física existente, como la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico y el modelo de Bohr del espectro del átomo de hidrógeno. Además, gracias a los esfuerzos de innumerables físicos y a avances como la teoría de la transformación propuesta por Paul Dirac y Pascual Jordan, se consolidó como un campo de estudio independiente.
Sin embargo, esto simplemente significó la culminación de la «forma» matemática —la herramienta utilizada para describir el contenido de la mecánica cuántica— y no implicó que se hubiera establecido desde la perspectiva de la interpretación física. Incluso ahora, décadas después, persisten las discrepancias entre físicos prominentes respecto a la «interpretación» de los fenómenos de la mecánica cuántica. Desde la «interpretación de Copenhague» —a menudo denominada la interpretación principal— hasta la «interpretación de los muchos mundos», surgida como respuesta a las limitaciones de la anterior, y otras diversas interpretaciones, estos diferentes enfoques se complementan entre sí al abordar las lagunas que ninguna interpretación por sí sola puede explicar completamente. En una conferencia de mecánica cuántica celebrada en Austria, se realizó una encuesta entre 33 físicos de renombre mundial preguntándoles qué interpretación apoyaban; la interpretación de Copenhague obtuvo el 42%, la interpretación de la teoría de la información el 24% y la interpretación de los muchos mundos el 18%. Dado que ninguna interpretación superó el 50% en esta encuesta, parece claro que cada interpretación tiene sus propias limitaciones. En este artículo, presentaré brevemente la «interpretación de Copenhague» y la «interpretación de los muchos mundos», que representan una parte significativa del campo y defienden posturas opuestas sobre el acto de «observación», y analizaré sus limitaciones. La «interpretación de la teoría de la información» queda excluida de este análisis, ya que aborda la mecánica cuántica desde una perspectiva algo diferente a la de las otras dos.
El marco básico de la interpretación de Copenhague, propuesta por Bohr y Heisenberg, es el siguiente: «Mientras el observador no utilice instrumentos de medición, el electrón dentro de un átomo se mueve según las leyes de la causalidad. Sin embargo, al intentar describir el electrón en una posición y un tiempo fijos dentro del espacio-tiempo, intervienen interacciones discretas que provocan una desviación de la causalidad, y el observador no tiene más remedio que recurrir a las probabilidades cuánticas». La mecánica newtoniana establece que las partículas observadas en el mundo macroscópico poseen valores específicos y bien definidos de posición y momento cuando se mueven. Esto significa que, en el mundo macroscópico, donde existen los observadores (es decir, los humanos), la posición y el momento son fijos. Sin embargo, en el mundo microscópico, un electrón en movimiento existe en un estado donde estas magnitudes físicas no pueden determinarse definitivamente como un único valor. En cambio, coexisten simultáneamente varios estados diferentes. Por ejemplo, si hay tres estados posibles (1, 2 y 3) que un electrón puede ocupar, el electrón existe en los tres estados simultáneamente antes de ser observado. Matemáticamente, esto se puede expresar como la suma de las funciones de onda correspondientes a 1, 2 y 3. Cuando un observador en el mundo macroscópico observa el electrón, este se reduce a un único estado entre los muchos posibles, determinado por la probabilidad asociada a dicho estado. En otras palabras, el acto de "observación" cambia el estado del electrón. Por ejemplo, en el momento en que se determina que el electrón se encuentra en el estado 1, desaparece la posibilidad de que exista simultáneamente en los estados 2 y 3. Esto es lo que la interpretación de Copenhague denomina "colapso de la función de onda". En consecuencia, el acto de "observación" tiene una importancia fundamental en la interpretación de Copenhague.
Físicos famosos como Einstein refutaron la interpretación de Copenhague, citando diversos experimentos mentales como evidencia. Entre ellos, el más conocido es el del «Gato de Schrödinger». Dentro de una caja sellada hay un gato y un dispositivo capaz de liberar veneno según el estado de una partícula, determinado por la mecánica cuántica. Que el gato esté vivo o muerto después de cierto tiempo —que en sí mismo es un estado— se determina únicamente en el momento en que se abre la tapa y se observa al gato. Este experimento mental ilustra que aplicar el acto de «observación», que tiene gran significado en el mundo microscópico, al mundo macroscópico conduce a conclusiones extrañas; como resultado, ha impulsado una profunda reflexión sobre el significado de la observación en la mecánica cuántica. Aquí es donde comienza la «interpretación de los muchos mundos».
Everett III, anteriormente profesor de la Universidad de Princeton, refutó las afirmaciones de la interpretación de Copenhague, argumentando que la distribución de probabilidad de una partícula no desaparece con la observación, sino que existen múltiples mundos posibles desde el principio. En otras palabras, la posición de una partícula no se determina mediante un único valor a través de la observación; más bien, existen múltiples mundos paralelos, y simplemente observamos uno de ellos. Los estados que no observamos directamente se desarrollan en otros mundos posibles. Por ejemplo, si nuestra observación produce el estado 2, los demás estados no desaparecen en ese momento; se desarrollan en otros mundos, y simplemente no podemos observarlos.
Sin embargo, la interpretación de los muchos mundos presenta claros problemas. Si un evento que podría ocurrir sucede en todos los mundos posibles, ¿qué sentido tiene la probabilidad asociada a cada estado? Everett intentó resolver esto simplemente multiplicando cada estado por un peso. No obstante, el significado de que un mundo sea más importante que otro sigue siendo objeto de debate.
Considerando estas dos interpretaciones —cada una con su propio significado y limitaciones—, me inclino por la interpretación de Copenhague. Si nos remontamos a los orígenes de la mecánica cuántica, vemos que nació, en última instancia, para explicar fenómenos del mundo microscópico. En otras palabras, dado que se creó para desentrañar fenómenos mediante la observación y los hechos resultantes, el acto de observación del observador tiene un significado tan importante. En la observación real de partículas, para observar el estado de una sola partícula, debemos ejercer cierto grado de influencia sobre ella. En física, esto se denomina «perturbación». Es decir, observar el estado de una partícula implica inducir un ligero cambio en ella y luego observar su respuesta. Si bien la conexión entre inducir un cambio en la partícula y el colapso de la función de onda en términos matemáticos es algo ambigua, coinciden en que ambos alteran el estado original. Esto significa que el acto de observación en sí mismo tiene un significado físico.
La mecánica cuántica se ha alejado de la mentalidad determinista de la mecánica newtoniana clásica y ha adoptado un enfoque probabilístico. ¿Cuántas personas podrían aceptar fácilmente la idea de que la posición de una manzana justo delante de ellas cambia con probabilidades variables cada vez que la miran? Es cierto que tanto la interpretación de Copenhague como la interpretación de los muchos mundos tienen su propia importancia y limitaciones a la hora de ayudar a las personas —acostumbradas a los estados definidos de los objetos— a comprender los fenómenos que ocurren en el mundo microscópico. Soy estudiante de ingeniería y estudio cómo crear nuevas tecnologías utilizando fenómenos científicos y los resultados obtenidos al observarlos. El desarrollo de la mecánica cuántica nos ha proporcionado herramientas para interpretar fenómenos en el mundo microscópico, lo que ha dado lugar directamente a tecnologías útiles para las personas. Los equipos de resonancia magnética (RM), que han contribuido significativamente a la medicina moderna, se desarrollaron aplicando el fenómeno de la resonancia magnética nuclear (RMN) de la mecánica cuántica; esta tecnología se utiliza no solo en espectroscopia —que determina estructuras moleculares— sino también en la exploración petrolera. Partiendo de esta base, creo que la interpretación más adecuada para explicar los fenómenos —que considero que es el propósito de la ciencia— tendrá mayor relevancia.
