En el centenario de Heisenberg

En el centenario de Heisenberg
Por Antonio Núñez
Director del Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada
5 Diciembre 2001
En este mes de diciembre la comunidad científica internacional celebra el centenario del
nacimiento de Werner Heisenberg, padre de la primera teoría de la Física Cuántica,
denominada Mecánica Matricial. En varias ocasiones he escrito que como Colón pasó
por Canarias, quizás su influencia se nota aún hoy en el interés por la Geografía y las
Humanidades que ha dejado entre nosotros. En cambio Newton no llegó al
archipiélago, y esa ausencia también se nota: más aún afecta en general a todo el sur de
Europa. Por el contrario de Canarias salió Blas Cabrera, posiblemente el mayor pionero
en la aplicación de la Física Cuántica al cálculo de los momentos magnéticos atómicos.
La ausencia de Newton, la ausencia de Cabrera, es más patente cuando Canarias se
apresta a entrar en la Sociedad de la Información, un modelo cultural fuertemente
tecnológico y científico. Quisiera por tanto acercar a Heisenberg a estas páginas, y
marcar la efeméride con unas breves líneas sobre su enorme gesta y los límites de
nuestro conocimiento que él tanto ayudó a plantear. Pretendo hacerlo sin escribir más
que dos sencillas y bien conocidas ecuaciones.
La influencia de Heisenberg en el siglo XX ha sido clave no sólo en Física sino también
en Filosofía de la Ciencia y en toda la Teoría del Conocimiento. De hecho el
indeterminismo y la no causalidad cuántica han hecho tambalearse los pilares sobre los
que se apoyaba la tradición cultural occidental. De hecho también los principios físicos
establecidos por Heisenberg fueron extrapolados pronto a la Filosofía (incluso por él
mismo) y subyacen en el relativismo y en el pensamiento débil abrazado por la cultura
moderna. Su impacto llega hasta el ámbito de la religión y de la cosmovisión que cada
ser humano tiene de su realidad y de la realidad que le rodea. La revolucionaria física de
los quantos llegó a marcar los postulados de Bertrand Russell, Whitehead y el joven
Wittgenstein, de Ernst Mach y sus seguidores posteriores del Círculo filosófico de
Viena (Hahn, Neurath, Carnap, Gödel, Kraft, Popper, Lakatos, Kuhn, Feyerabend...),
del Círculo filosófico de Breslau y Gotinga (Husserl, Reinach, Edith Stein, Scheller...),
cuna del Fenomenologismo y del pensamiento alemán postkantiano...etc. Muchos de los
filósofos de Breslau y Gotinga tomaban lecciones de Física, como subraya Edith Stein
en su autobiografía, en una tradición filosófica que probablemente nos remonta a
Aristóteles. El iniciador del Circulo de Viena, Schlick, se había doctorado en Física con
Planck antes de obtener otro doctorado en Filosofía. Los ejemplos pueden multiplicarse.
Heisenberg creó la Mecánica Cuántica en Gotinga con Max Born y Pascual Jordan. Pero
antes había obtenido su doctorado en Física en Munich trabajando con Pauli y
Sommerfeld. Allí recibió las demostraciones físicas de la discontinuidad profunda de la
naturaleza, que sin embargo sólo se manifiesta en el nivel microfísico: esos cuantos de
energía de valor E = h responsables de la forma de la densidad de energía en la
radiación de cuerpo negro (Planck) y que pusieron fin a la sentencia clásica “Natura non
fecit saltus”. Allí conoció el descubrimiento del fotón como cuanto de energía absorbido
de una radiación por un electrón libre en un metal, energía que es capaz de arrancarlo
del metal en el efecto fotoeléctrico (Einstein). Y allí recibió también los datos del
experimento de Compton de dispersión de la radiación electromagnética de fotones al
“colisionar” con electrones libres, como si los fotones fuesen partículas, aunque de
masa en reposo nula. Einstein había mostrado que las partículas con masa no pueden
viajar a la velocidad de la luz, y por otro lado que los fotones sólo existen cuando viajan
a la velocidad de la luz, pues son luz. En ambos casos hay interacción y traspaso de
energía entre unas y otras según la relación E = mc2. En Copenhague Bohr había
explicado en parte el espectro del átomo de Hidrógeno mediante la introducción de
números cuánticos ad hoc, cuantificando y ajustando “manualmente” en unas pocas
órbitas estacionarias las órbitas posibles del electrón según sus niveles de energía
calculados clásicamente, pero siempre de forma que para grandes distancias “se
correspondieran” con órbitas clásicas. Y De Broglie finalmente había llevado a sus
últimas consecuencias la demostración experimental de Compton de la naturaleza
corpuscular de las ondas electromagnéticas, sugiriendo en su tesis doctoral que
recíprocamente toda entidad física con propiedades corpusculares tenía también
comportamiento y propiedades ondulatorios. De Broglie predijo el efecto de la
difracción de electrones (probado luego por Thomson, Davisson y otros), resaltando su
comportamiento como si un electrón fuese un paquete concentrado de ondas, unas
ondas con energía, impulso y masa, que llamó ondas de materia.
En este contexto del momento, Heisenberg concibió la necesidad de abandonar por
completo la visión orbital de las partículas puesto que esas órbitas no eran observables
si la observación alteraba de hecho, “colapsaba”, su comportamiento estacionario.
Heisenberg destruye al nivel cuántico el clásico concepto newtoniano de trayectoria de
un móvil que ligaba su posición y su velocidad, y propone describir la realidad
microfísica mediante los datos cuánticos observables estacionarios renunciando a hablar
de trayectorias. Con este paso la Física se aleja definitivamente del común de los
mortales al desconectar la experiencia física de la experiencia y cosmovisión ordinaria,
aunque deja tendido el puente para reconstruir la experiencia ordinaria cuando las
mayores dimensiones de un problema así lo permitan. Heisenberg recurre entonces al
cálculo de matrices que manejan transformaciones no conmutativas de números
(energías) en otros números (otras energías), en ecuaciones que describen
completamente los “orbitales estacionarios” de las particulas, sin ninguna relación con
trayectorias de esas entidades. Heisenberg da un paso más y demuestra su principio de
incertidumbre, ley física general que establece la imposibilidad de determinar
simultáneamente y con exactitud pares de variables conjugadas derivados de la dualidad
onda-partícula como son la posición de una partícula y su momento o cantidad y
dirección de movimiento, ni tampoco su energía y el instante de tiempo en que toma ese
valor, ni su masa y la vida media en su estado (por ejemplo en un orbital electrónico), ni
la vida media en su estado y el nivel de energía de ese estado. Cuanta más precisión se
busca y se obtiene en una magnitud, menos se obtiene en la otra magnitud conjugada.
Estas relaciones de la Física Cuántica se llaman relaciones de incertidumbre y en
palabras de Heisenberg “refutan el principio de causalidad” en Física. Recordemos de
pasada que estas relaciones solo son significativas al nivel microfísico por la decisiva
interacción en esas dimensiones de la observación y el sistema observado; que no
afectan a la experiencia ordinaria o en las grandes dimensiones astrofísicas; que con
frecuencia por causalidad física se quiere expresar más bien la predictibilidad de un
fenómeno; y finalmente que la causalidad física no se refiere a la causalidad ontológica
de los entes físicos subyacentes a la observación. La Física Cuántica demuestra una
profunda indeterminación y libertad de los estratos más básicos conocidos de la materia,
que es sin embargo compatible con la existencia de orden y de finalidad, orden que
entre otras cosas hace posible nuestro conocimiento de esas realidades.
La Mecánica Matricial de Heisenberg se elabora en 1925 con ayuda de Born y Jordan
en Gotinga. Luego, en Munich, Schroedinger obtiene en 1926 las mismas
transformaciones cuánticas desde el planteamiento de una ecuación diferencial mucho
más sencilla que describe la variación con la posición y la velocidad de la onda de
materia de De Broglie. Nace así la formulación ondulatoria de la Física Cuántica. Dirac
demuestra en Cambridge la equivalencia entre la formulación matricial y la ondulatoria,
a partir de su teoría matemática de operadores, más tarde formulada mejor por Von
Neumann en Hamburgo y en Princeton. Born da entonces una interpretación
probabilista a la onda de materia, consecuente con la renuncia a conocer trayectorias,
según la cual la presencia de materia no es más que una probabilidad de encontrar en
ese punto del espacio a la partícula en cuestión. La interpretación probabilista dada por
Born a la Física Cuántica fue ampliamente desarrollada por Bohr y Heisenberg, y ha
presidido la Física durante 70 años como su interpretación auténtica, estándar, o
interpretación de Copenhague. Sin embargo desde su introducción esta interpretación no
ha dejado de tener fuertes opositores entre los que hay que destacar a Planck, Einstein,
De Broglie y Shroedinger. La interpretación probabilista tiene sentido en el caso de
partículas confinadas en regiones del espacio, por ejemplo en los orbitales estacionarios
atómicos, pero presenta nuevas dificultades en su aplicación a partículas libres. El
propio Heisenberg propuso luego el concepto de que el aspecto ondulatorio de una
partícula libre representa una ”onda piloto” que “tantea a la vez” diversos o todos los
caminos y guía a la partícula, en su aspecto corpuscular, hasta el destino, en una suerte
de trayectorias simultáneas posibles sobre las que deben entenderse aplicadas las
probabilidades. Este debate pertenece más al campo de Filosofía de la Ciencia que al de
la Física, aunque ésta no puede dejar de buscar significados reales a sus descripciones
de los fenómenos físicos. Así por ejemplo este tipo de debate indujo a Einstein a repetir
una y otra vez que “Dios no juega a los dados”, abogando por algún mecanismo
determinista subyacente responsable de la apariencia probabilista del mundo cuántico.
La situación ha cambiado en la última década. Junto a experimentos que han reforzado
constantemente la Teoría Cuántica, extendiéndola a nuevos ámbitos de la Física,
incluida la gravedad, se ha producido la crisis de la interpretación probabilista de
Copenhague. En su lugar el concepto de indeterminación, y la consiguiente imagen del
“colapso” de la onda indeterminada de materia en el momento de la observación de una
partícula, ha dado paso al concepto de “no-localidad” de la onda de materia y de suma
de las probabilidades de seguir muchas posibles trayectorias, unas pocas con “fase
cuántica” constructiva (que corresponden a trayectorias clásicas), y la inmensa mayoría
con “fases cuánticas” que mutuamente se cancelan en trayectorias improbables. Esta
superación del probabilismo no supone un “triunfo” de Einstein, sino todo lo contrario,
puesto que confirma la existencia de extrañas acciones instantáneas a distancia, “the
spooky action at a distance”, odiadas por el creador de la Teoría de la Relatividad.
La nueva interpretación aceptada en Física Cuántica hoy, tiene su origen en la
matización señalada por el propio Heisenberg en sus ondas piloto, y fue ampliamente
desarrollada y experimentada en los años 70 y 80 por Wheeler, Feynman, Bohm, Bell,
Clauser y finalmente Aspect y Cramer, todos ellos trabajando en América, excepto Bell
y Aspect. Aspect experimentó en París con pares de fotones originados de una misma
fuente y en común -una pareja-, que viajan independientemente en el espacio y llevan
polarizaciones siempre opuestas por su condición de nacimiento común. El
experimento, muchas veces repetido en la última década, demuestra el cambio
instantáneo y a cualquier distancia de un fotón si ocurre un cambio en su pareja, a cuya
suerte parece siempre ligado, no importa los años luz que los separen después de
haberse individualizado. El hecho probado del Big Bang, y del origen común inicial de
las distintas partículas conocidas (leptones, quarks y las particulas portadoras de las
cuatro fuerzas) induce a considerar la existencia de un substrato aún más profundo de
los entes físicos en el que nuevas variables subyacentes, llamadas “Hidden Variables”,
aún no descubiertas en la Física, puedan dar explicación de la naturaleza cuántica de las
partículas, incluidos sus aspectos probabilistas, indeterminados y no locales, así como
de la íntima relación de toda la realidad material entre sí, que arranca desde un mismo
origen y se encuentra profundamente acoplada, interdependiente, en todo el universo,
aunque en muchos casos ese acoplamiento sea débil en comparación con los fuertes
procesos de estructuración y entrelazamiento local que surgen en las concentraciones de
energía y materia.
Heisenberg tuvo la valentía de sujetarse a los datos empíricos y prescindir de
revestimientos superfluos, aunque quedase en el camino toda la mecánica de Newton.
Tuvo también el error de querer dar a sus principios mayor alcance que el estrictamente
físico, aunque el interés por la realidad más profunda no es fácilmente disociable del
pensamiento humano. Heisenberg, nacido en Duisburgo el 5 de diciembre de 1901,
recibió el Premio Nobel de Física en 1932, y falleció en Munich el 2 de febrero de
1976, tras haber creado y dirigido durante más de 30 años el Instituto Max Planck de
Física, que también lleva ahora su propio nombre.
(Publicado en La Provincia-Diario de Las Palmas)
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