Durant molts anys, shan dut a terme experiments dissenyats per comprovar si els sistemes quàntics verifiquen, o no, aquestes desigualtats. El resultat sempre ha mostrat que les desigualtats no se satisfan i que, en canvi, les dades estan dacord amb les prediccions de la mecànica quàntica. Els experiments realitzats al llarg de 2015 han sigut decisius a lhora de descartar definitivament el realisme local. És veritablement sorprenent i grandiós que es puga contrastar amb lexperiment una teoria que conté variables que, per definició, no són visibles. Aquesta és la potència de les desigualtats esmentades.
Quedaria, encara, una possible escapatòria per a la supervivència del realisme (òbviament, una mena de realisme no local). Aquesta forma de realisme és poc atractiva, per dir-ho duna manera suau, per a la col·lectivitat científica, ja que implica una mena dorganització a nivell còsmic (una conspiració, en paraules de lautor) des del començament del món, de manera que tota la maquinària daquest estaria dissenyada per tal de poder reproduir els resultats dels experiments amb sistemes quàntics, i que tan exitosament descriu la mecànica quàntica. Podem, com en el cas de les teories locals, contrastar aquesta teoria no local amb lexperiment? Ramon Lapiedra ens fa una proposta, en lepígraf 3.5, basada en un altre tipus de desigualtats: les desigualtats de dEspagnat. Si els experiments violen aquestes desigualtats, tal vegada podríem posar a prova alguns models no locals i deterministes, alternatius a la mecànica quàntica, que han estat proposats recentment. Es tracta, doncs, duna proposta interessant, sobre la qual tornarem en la discussió sobre lepígraf 4.5.
La discussió sobre un possible determinisme en les lleis de la natura té conseqüències importants a nivell psicològic i social. La responsabilitat davant dels nostres actes quedaria minvada, o fins i tot desapareixeria, si totes les nostres actuacions passades, presents i futures, estiguessen ja predeterminades. Queda clara la preocupació de Ramon Lapiedra per aquest aspecte, i crec que serà compartida pels lectors daquest llibre.
En canvi, si les lleis naturals no són deterministes, haurem dassolir la nostra capacitat de prendre decisions, i la nostra responsabilitat en elles. Don podria sorgir aquesta capacitat dacció, aquesta absència de determinisme en el cervell humà? Lapiedra apunta la possibilitat que, darrere de la consciència humana, es manifeste alguna mena damplificació defectes quàntics a escala macroscòpica. De fet, aquesta és una idea central en el llibre, desenvolupada en el capítol 4.
La dificultat de comprovar aquesta hipòtesi amb sistemes macroscòpics, com ara el cervell humà, ens porta a una meta més modesta. Podríem, en primer lloc, tractar de fer aquestes comprovacions sobre una escala intermèdia entre el món microscòpic, clarament governat per les lleis quàntiques, i el macroscòpic, que descrivim utilitzant la mecànica clàssica. Aquests sistemes intermedis, anomenats mesoscòpics, també plantegen tota una sèrie de dificultats, que són discutides en lepígraf 4.5, juntament amb propostes per tal de encarar-les, fent ús novament de les desigualtats de dEspagnat comentades adés.
La discussió anterior ens porta a una reflexió prou inquietant, ja que, si la consciència pot aparéixer relacionada amb lamplificació defectes quàntics a escala macroscòpica, què podríem dir dels ordinadors quàntics de què parlàvem al principi? Podríem, per aquest raonament, esperar que aquests ordinadors poguessen arribar a desenvolupar algun tipus de consciència? O, tal i com preguntava Philip K. Dick: Somien els androides amb ovelles elèctriques? Davant daquesta inquietud, Lapiedra ens argumenta, amb alguns exemples, què lésser humà és molt més que un programari, la qual cosa impedeix la comparació entre la consciència humana i un ordinador, tot i que aquest siga quàntic. El futur ens dirà fins a quin punt aquesta comparació és entre dos conceptes molt llunyans, o pot haver-hi alguna mena dapropament inquietant.
Lúltim capítol ens porta a escales molt més grans que les macroscòpiques ja esmentades abans. De fet, són les escales més grans de què podem parlar, per definició, ja que això és justament lUnivers. Ramon Lapiedra ens descriu laventura més gran que podem imaginar, quant a grandària i duració temporal, guiats per la mecànica quàntica. Després de discutir què vol dir un principi per a levolució de lUnivers, i de introduir el concepte de isotropia, lautor raona que aquest concepte és, de fet, compatible amb la idea de finitud.
Què ens aporten els conceptes quàntics a la nostra concepció de lUnivers? La idea central en la descripció que ens fa Ramon Lapiedra és que el balanç denergia total és zero. Daquesta manera, podem concebre lUnivers com una fluctuació, o tot un conjunt de fluctuacions, del buit mateix: lautor es refereix a aquest conjunt de fluctuacions com a lescuma quàntica, que podria constituir el bressol de múltiples universos, dels quals el nostre seria només una part. La història posterior és complexa i amb múltiples etapes, des de la formació de les partícules elementals fins a la formació destels i galàxies, amb una estructura jeràrquica i moltes qüestions per resoldre, com ara la composició de la matèria fosca o la, encara més desconeguda, energia fosca.
Vull acabar aquest pròleg simplement amb un intent de compartir la fascinació davant el ventall de situacions en què hem pogut discutir conceptes quàntics de la mà de Ramon Lapiedra, des del món de les partícules elementals fins a levolució de lUnivers. Espere que el lector puga gaudir amb les reflexions que lautor ens ha posat davant i les implicacions daquestes com jo ho he fet.
ARMANDO PÉREZ CAÑELLAS
Universitat de València
Octubre de 2019
Pròleg a la primera edició
El lector daquest llibre del professor Lapiedra hi trobarà una quantitat daspectes 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 dincorporar una visió de la realitat objectiva de la natura capaç de satisfer tots els ingredients de la mecànica quàntica conduirà necessàriament a la conclusió duns dèficits ontològics, en paraules de lautor Lapiedra. Contràriament al sentir dEinstein, 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 daquests objectes; hi ha correlacions insalvables que no permeten identificar-ne les parts separadament.
Però lanàlisi del llibre no es queda solament en aquest punt sinó que, a partir de la descripció quàntica de la realitat, lautor sembarca 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 lUnivers a partir del buit, del no-res?
En la història de lavanç 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 lordre d1Å=1010 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. Lacceptació per part de la comunitat científica didees 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. Dacord 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 daquestes 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 daplicació sestén al comportament de la matèria a totes les escales i que fenòmens macroscòpics de la grandària de lescala 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: lenergia emesa o absorbida per les vibracions dels àtoms del cos calent només pot prendre valors múltiples duna 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 lenergia 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 lenergia 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 lefecte fotoelèctric, lemissió delectrons dun 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 làtom dhidrogen. 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 sha 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 lenllaç 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 denergia del material formen sèries de valors molt junts, les bandes energètiques separades entre si per salts denergia 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 lelaboració dheteroestructures 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 defecte túnel... Més coneguts socialment són instruments com el TAC o la ressonància magnètica daplicació en medicina. La connexió entre la física quàntica i la tecnologia en làrea 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 shan arribat a explorar distàncies de lordre duna centmilionèsima part (108) de les distàncies atòmiques, i no shi 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 lorigen de lUnivers. El primer aspecte quàntic que es discuteix en el llibre és el caràcter probabilista, indeterminista, en la predicció científica del resultat de mesura duna 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 dincertesa de Heisenberg: lespecificació de la posició duna partícula amb una incertesa està correlacionada amb un límit a la precisió amb què limpuls daquesta 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. Daquesta 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 levolució acausal dun 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 dexigir que, després del resultat de mesura de lobservable, el sistema físic, siga quin siga lestat abans de la mesura, haja de col·lapsar en lestat propi associat amb el corresponent resultat de mesura. És lúnica 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 lestat 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 laparell de mesura hi ha aspectes dirreversibilitat 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 lobjecte macroscòpic que és laparell 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 lestat col·lapsat de viu o de mort, el que està dallò més dacord amb la lògica quotidiana. Laspecte 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 dun objecte compost podem dividir-lo en parts. Això suposa que, no sols lobjecte sencer sinó també cadascuna de les parts, tenen una realitat ben definida: els elements de realitat, en paraules dEinstein. 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 dEinstein, 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 daquestes 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.