ELS DÈFICITS DE LA REALITAT I LA CREACIÓ DEL MÓN
Ramon Lapiedra
ELS DÈFICITS DE LA REALITAT I LA CREACIÓ DEL MÓN
UNIVERSITAT DE VALÈNCIA
Aquesta publicació no pot ser reproduïda, ni totalment ni parcialment, ni enregistrada en, o transmesa per, un sistema de recuperació d'informació, en cap forma ni per cap mitjà, sia fotomecànic, fotoquímic, electrònic, per fotocòpia o per qualsevol altre, sense el permís previ de l'editorial.
1a edició: 2004
2a edició, corregida i augmentada: juny 2020
© Del text: Ramon Lapiedra i Civera, 2020
© Daquesta edició: Universitat de València, 2020
Producció editorial: Maite Simon
Disseny interior i maquetació: Inmaculada Mesa
Correcció: Elvira Iñigo
Disseny de la coberta: Celso Hernández de la Figuera i Maite Simon
Edició digital
Per a Carme
If you really want to hear about it...
(Si de debò els interessa el que vaig a contar-los...)
J. D. SALINGER, The catcher in the rye
Índex
Pròleg a aquesta edició, per Armando Pérez Cañellas
Pròleg a la primera edició, per J. Bernabeu Alberola
Nota de lautor a aquesta edició
Nota de lautor a la primera edició
Introducció
1. Què sabem de bàsic sobre la realitat física o la mecànica quàntica
1.1 La funció dona
1.2 Les relacions dincertesa
1.3 La coherència dels estats i lexperiment de la doble escletxa.
1.4 Lespín
1.5 La indiscernibilitat de les partícules idèntiques
2. El gat de Schrödinger i la interpretació del procés de mesura en mecànica quàntica
2.1 Lexperiment mental del gat de Schrödinger
2.2 El col·lapse de la funció dona com a fet objectiu
2.2.1 Encara el gat de Schrödinger
2.2.2 Les possibles raons duna confusió
2.2.3 Col·lapse dun sistema aïllat
2.2.4 Col·lapse sense amplificació macroscòpica? La resposta dels experiments
2.2.5 Lexperiment mental del gat de Schrödinger amb temps de vol diferents: consideració final
2.2.6 A tall de resum
2.2.7 La interpretació dels diversos mons
2.2.8 La interpretació estadística de la mecànica quàntica.
2.2.9 Els dos tipus de mesures en mecànica quàntica
2.3 Decoherència i món macroscòpic
2.4 Del descrèdit als dèficits ontològics de la realitat quàntica
3. La violació experimental de les desigualtats de Bell
3.1 Consideracions preliminars
3.2 Lexperiment dEinstein-Podolsky-Rosen
3.3 Discontinuïtats quàntiques i propagació dinformació
3.4 Les desigualtats de Bell
3.5 Les desigualtats de dEspagnat i altres dificultats per al realisme
4. Consciència, realisme i mecànica quàntica
4.1 Matèria i consciència
4.2 Ordinadors i consciència
4.3 Determinisme psicològic i mecànica quàntica
4.4 La vida i la història
4.5 Sistemes vius i mecànica quàntica: respostes aleatòries i desigualtats de Bell
5. La creació primigènia
5.1 Consideracions preliminars
5.2 LUnivers actual
5.3 El model del Big Bang. De la primera deumil·lèsima de segon a la recombinació de lhidrogen
5.3.1 Consideracions generals. Laniquilació muó-antimuó.
5.3.2 El desacoblament dels neutrinos
5.3.3 Laniquilació electró-positró
5.3.4 La síntesi de lheli
5.3.5 La recombinació de lhidrogen i el desacoblament matèria-radiació
5.4 Abast i dificultats de la versió ordinària del model del Big Bang
5.4.1 El problema de la planor
5.4.2 El problema de lhomogeneïtat global
5.4.3 El problema de les inhomogeneïtats locals observades.
5.5 LUnivers inflacionari i la solució de les tres dificultats
5.6 Les dades observacionals i la determinació del model
5.7 Energia de lUnivers, creació i escuma quàntica
Consideracions finals
Apèndix. Demostració de les desigualtats de dEspagnat
Referències bibliogràfiques
Índex analític
Sobre lautor
Pròleg a aquesta edició
La mecànica quàntica és, com sexplica en aquest llibre, un del pilars més sòlids de la física actual. Constitueix la base de nombroses disciplines, també exitoses, com ara la física de partícules, la teoria nuclear, la descripció de lestat sòlid i altres. Aquesta teoria ha rebut un interés renovat en els últims anys, degut al grau excepcional de control que hem assolit sobre un gran nombre de sistemes quàntics. Juntament amb aquest vessant experimental, la nostra curiositat teòrica al voltant dels processos que tenen lloc en aquells experiments també sha reforçat. No és que mai shaja relaxat la nostra perplexitat davant del món quàntic, sempre ple de sorpreses, però la capacitat dinteraccionar de forma immediata amb nous experiments reviscola el nostre interés i ens motiva fortament per a proposar uns altres dispositius on comprovar si realment hem entés el que esdevé en aquests muntatges experimentals.
Així, una nova disciplina teòrica, que tracta en especial dentendre com semmagatzema i manipula la informació continguda en els sistemes quàntics, rep el nom dinformació quàntica. Al cap i a la fi, la informació és inseparable dels sistemes físics: utilitzem sempre suports físics per a gravar-la i llegir-la, ja siga un full de paper o un disc dur. No és, doncs, gens sorprenent que, per tal dadaptar-nos als sistemes quàntics, haguéssem de desenvolupar una nova teoria de la informació.
Com sempre, gràcies a la col·laboració entre teoria i experiments, podem dur a terme nous projectes. Des del punt de vista teòric, podem intentar, sota la perspectiva de la informació quàntica, noves idees al voltant de sistemes com els forats negres o sistemes complexos en estat sòlid. Des dun punt de vista totalment pràctic, la majoria de països estan fortament interessats a dur a terme noves tecnologies quàntiques, com ara el desenvolupament dels ordinadors quàntics, la criptografia quàntica o nous aparells de mesura amb precisió sense precedents (metrologia quàntica). En alguns mitjans de comunicació es refereixen a aquest desenvolupament com a la segona revolució quàntica, sent la primera la que va donar lloc a la mecànica quàntica durant el segle passat.
Com veiem, la mecànica quàntica està dactualitat. Però, tot i el desenvolupament teòric i experimental assolit, encara molts aspectes ens causen perplexitat i ens fan preguntar-nos fins a quin punt podem anar més enllà daquesta perplexitat. El fet que la teoria funcione tan bé mai ens pot aturar a lhora de reflexionar sobre ella. Potser no trobarem una teoria alternativa, o tal vegada sí. En qualsevol cas, segur que aprendrem més sobre la pròpia teoria. Aquest és, al meu parer, el propòsit daquest llibre: una sèrie de reflexions sobre els aspectes més fonamentals de la mecànica quàntica, així com sobre les seues implicacions, no només a nivell subatòmic, sinó a escales més grans, fins i tot còsmiques.
Uns dels aspectes bàsics i més debatuts de la teoria és aquell que té relació amb la mesura dun sistema quàntic. El fet que la dinàmica relacionada amb el procés de mesura (descrit per lanomenat col·lapse de la funció dona) siga tan diferent de la que segueix levolució sense aquestes mesures, ha provocat moltes discussions. El debat més conegut està il·lustrat per lexperiment imaginari del gat de Schrödinger, sobre el qual shan vessat rius de tinta. Com comenta Ramon Lapiedra, la possibilitat que fora necessària la presència dun observador extern per tal de produir el col·lapse ens porta a absurds, i aleshores conclou que la mesura és un procés objectiu deslligat de lobservador, conseqüència de la interacció entre el sistema quàntic i un aparell de mesura macroscòpic. No puc deixar de manifestar el meu acord amb aquesta interpretació, la qual es veu ampliada amb la discussió de lexperiment del gat amb dos temps de vol diferents que apareix en aquesta nova edició.
I quin és el resultat duna mesura sobre un sistema quàntic? És ací quan aprofundim en el cor de la mecànica quàntica, i ens obliguem a replantejar-nos el concepte de realitat, que constitueix leix central daquest llibre.
En psicologia, en sociologia i, per descomptat, en política, la realitat té uns límits difusos. Per a lindividu, una al·lucinació pot ser molt real. Els drets socials no tenen una realitat objectiva, ja que són construïts per conveni, varien duna societat a una altra i, fins i tot, varien en el temps dins duna mateixa societat. I si parlem de ciències? Ací esperem respostes més clares. Per al biòleg, una cèl·lula té una existència i una realitat molt evident. En la física clàssica, els objectes tenen també una realitat molt clara: darrere de cada un dells hi ha unes propietats prèvies a la mesura. Així, duna pilota sabem que té una mida, un color, o una velocitat que existeixen fins i tot si no la mesurem. Totes aquestes propietats tenen una realitat que no està limitada per la voluntat de lobservador per a determinar-les, una a una o totes alhora, o cap delles.
Aquesta realitat està minvada en els sistemes quàntics. El sistema posseeix una funció dona definida, però aquesta no determina el resultat duna mesura de la posició, la velocitat o la direcció de lespín. Excepte en casos particulars, el resultat no es pot predir: només sabem que en serà un entre un conjunt, però no podem predir quin de tots. Si tornem a preparar el sistema amb la mateixa funció dona, el resultat pot ser diferent. Al final, només podem predir que els diferents resultats es produiran amb una certa probabilitat. Aquesta probabilitat sí que és calculable amb les lleis de la mecànica quàntica, i podem contrastar-la amb els resultats obtinguts en qualsevol experiment. Com sabem, lacord entre la predicció daquestes probabilitats i els resultats experimentals és total. Fins ara, no hem trobat cap desacord entre teoria i experiment.
La mecànica quàntica és, doncs, una teoria probabilista per se, a diferència de la mecànica clàssica. Com Ramon Lapiedra discuteix de forma detallada, en els sistemes clàssics podem trobar una dificultat major o menor per a determinar-ne el comportament futur, en especial si el sistema es caòtic, però es tracta duna dificultat purament tècnica, dun problema de precisió. En el cas del sistema quàntic, no es tracta duna dificultat, sinó que la teoria és probabilista. Aquesta naturalesa impedeix parlar de trajectòries quàntiques, i té implicacions en el tractament de sistemes de partícules idèntiques, entre altres exemples. Jo invite el lector a què es detinga en les profundes reflexions que es fan en lapartat 3.1 daquest llibre.
No és destranyar que molts científics shagen alçat contra aquesta descripció probabilista i lhagen atribuït a una manca de coneixement sobre el sistema quàntic, tot insistint en una peça de realitat que no observem, i que explicaria aquesta naturalesa probabilista. És el cas del famós article dEinstein, Podolsky i Rosen, discutit en lepígraf 3.2, i que ha donat lloc a lintent de formular teories realistes, on la peça que manca rep el nom de variables ocultes.
Hom podria pensar que, com en el cas dun joc de màgia, es poden dotar aquestes variables ocultes de totes les propietats que desitgem, de manera que, jugant amb elles, podrem reproduir les mateixes prediccions que fa la mecànica quàntica. Doncs no! Justament això és el que mostra el teorema de Bell, basat en les desigualtats que porten també el nom del mateix científic, tal i com sexplica en lepígraf 3.4. Si lexperiment viola aquestes desigualtats, o daltres equivalents, hem de descartar el realisme local.