Desde el nacimiento de la ciencia se ha planteado en numerosas ocasiones la existencia o no de una realidad objetiva subyacente a nuestro universo. El realismo científico es la visión filosófica de que el universo puede ser descrito por la ciencia y que es real independientemente de cómo se pueda interpretar. Sostiene la idea de que existe una realidad objetiva, y que el objetivo primordial de la ciencia es describir y explicar los hechos de la realidad. Durante el periodo positivista de la ciencia se llegó a la conclusión sin fisuras de que existía esa realidad. Ya en el siglo XIX se había llegado a la conclusión fundamental de la existencia del átomo, y empezó a abrirse una discusión más profunda (diría yo metafísica) sobre la realidad última de nuestro universo. La aparición de la teoría cuántica volvió a abrir el debate de si la ciencia debía o no contener una visión filosófica en sus planteamientos. La física empezó a albergar en su interior una inspiración metafísica que alcanzó su máximo punto entre los años 1925 y 1935, cuando Einstein y Bohr tuvieron unas polémicas discusiones sobre temas totalmente ontológicos. Entendemos la ontología como la rama de la metafísica que aborda las cuestiones del ser, de la «existencia real» de las cosas. Cuando empezó a conocerse de la existencia de los átomos, estos eran realidades incuestionables, a pesar de no haber sido nunca observados. Lo que empezó a cuestionarse con la aparición de la nueva teoría cuántica es la realidad a nivel microfísico. Empezó a tratarse el problema del significado de «existencia real» de las cosas.
Cuando aparece la mecánica cuántica lo que empezó a haber (y sigue habiéndolo hoy en día) es un desacuerdo de la ciencia sobre la interpretación o significado de la teoría, pero nunca ha habido desacuerdo en su formulación matemática. Todas las ecuaciones de la cuántica son aceptadas sin fisura, pero se discrepa acerca de la estructura física que subyace a esa teorización matemática. El problema radica en la ontología. En mecánica cuántica los valores de los estados observables (posición, momento, spin…) de un sistema cuántico (ya sea este un electrón o fotón, por ejemplo) vienen representados por la función de onda, que se designa con la letra griega Ψ. Esta función de onda puede tomar valores complejos, en los cuales aparece el número imaginario (la raíz cuadrada de -1). Como sabemos la evolución del sistema cuántico siempre es descrita de manera determinista por la ecuación de Schrödinger formulada en 1926. Esta escuación es llamada «ecuación de onda» porque en su estructura formal vienen recogidos aspectos ondulatorios manifestados por los sistemas cuánticos (existiendo una analogía con las ondas en la física clásica). Schrödinger pensó al principio que la función de onda se asociaba a un proceso vibratorio interior en el átomo. Pero pronto se vio que esto no podía ocurrir así. Se dificultaba creer que Ψ era una onda real, porque en ella aparecían números imaginarios. Incluso cuando aparecen varias partículas, la función de onda es función en un espacio de más de 3 dimensiones. Aparece la duda de que es realmente la función de onda Ψ. El enigma central es que Ψ muestra su doble aspecto, ondulatorio y corpuscular.
Durante la historia ha habido diferentes propuestas acerca de la interpretación de la función de onda Ψ. Resumo las principales:
- Representa algo real, ciertas propiedades objetivas de la naturaleza.
- No representa nada real. Es un instrumento matemático para calcular las probabilidades de obtener ciertos resultados en mediciones efectuadas sobre sistemas microfísicos individuales.
- Describe nuestro estado de conocimiento del sistema microfísico.
- No representa una realidad actual, sino más bien un conjunto de potencialidades que podrían ser actualizadas de acuerdo con las condiciones experimentales.
- Describe el comportamiento de un conjunto de sistemas, nunca de un único sistema.
La primera interpretación ha sido defendida por Einstein, de Broglie, Schrödinger, Bohm, Bell, etc. Afirma la existencia de una realidad objetiva (realismo científico). La segunda forma parte de la llamada «Interpretación de Copenhague», que no deja de ser un conjunto de interpretaciones similares. Fue defendida por Bohr y es la más aceptada actualmente. La tercera es una variante de esta segunda interpretación y fue defendida por Born, Heisenberg e incluso Schrödinger. La cuarta fue formulada por Heisenberg al final de sus días. La quinta constituye la «interpretación estadística», defendida por Einstein, Popper, Landé, …
Aparece más adelante una dificultad conceptual que agrava el problema de la existencia de una realidad objetiva. Este problema sigue sin respuesta ni consenso en la actualidad y es el famoso «problema de la medida» o «colapso de la función de onda«. Cuando no se realice ninguna medición sobre el sistema microfísico, la evolución del sistema es determinista según la ecuación de onda de Schrödinger. Según esta ecuación el sistema evoluciona como una superposición de todos los estados posibles del sistema. En el caso del spin del electrón, que solo puede tomar los valores +1/2 y -1/2, antes de ser éste medido, el sistema muestra una superposición (como una mezcla) de los dos estados posibles. Cuando se efectúa un medición el resultado que se obtiene es siempre uno sólo de los dos estados posibles y no una superposición de estados. Tal y como sugirió en su día von Neumann se produce en el acto de medir un cambio discontinuo de la función de onda que no está regido por la ecuación de Schrödinger, y que adquiere un carácter indeterminista. La duda y disputa de los teóricos es que ocurre antes de medir. Si existe realmente un electrón con spin +1/2 y -1/2 a la vez. Si no existe ningún spin antes de medir y aparece +1/2 o -1/2 sólo al medir (con 50% de probabilidad). Si solo existe una realidad matemática no objetiva a ese nivel fundamental. Todo un enigma. Ese cambio instantáneo se llama «colapso de la función de onda«. No se sabe nada de como y por qué ocurre ese extraño salto. Se teoriza sobre si es un cambio que solo afecta a nuestro conocimiento del sistema o de si es una transformación física que la medición introduce de algún modo en el sistema medido. Es como si el proceso de medición altera la realidad objetiva.
Según la segunda interpretación que expuse, la de Copenhague, la función de onda no representa nada real. No es una doctrina única, sino que es un conjunto de puntos de vista que guardan cierta relación. Fue defendida principalmente por Bohr y Heisenberg, que no guardaron las mismas tesis sobre los sistemas cuánticos fundamentales. Heisenberg defendia una visión más instrumentalista de la física. Aún así, ambos variaron sus posiciones a lo largo de su vida. Para complicar la situación von Neumann, que era otro de los promotores de esta interpretación, tuvo unas ideas bastante diferentes a las de estos dos últimos, y dio un papel principal a la conciencia en el acto de medición. Algo que Bohr nunca hizo, y que incluso se pronunció abiertamente frente a esta idea. Dentro de esta interpretación podemos encontrar ideas algo diferentes, e incluso contradictorias. Aparecían cuestiones epistemológicas (sobre lo que realmente se puede conocer de la realidad) y ontológicas (sobre la existencia objetiva de la realidad). ‘
Aún así esta interpretación se basa en la idea principal de Bohr de que siguen siendo necesarios los conceptos clásicos para describir el mundo cuando queremos estudiar los sistemas cuánticos tal y como nuestros instrumentos los detectan y miden, no siendo aplicables a los sistemas cuánticos en si mismos. Esto es asi ya que para determinadas características que se obtienen en la medición sobre sistemas cuánticos, sólo se puede decir que adquieren «realidad» en el conjunto del dispositivo experimental. No debemos confundir esto con la falsa creencia de que los objetos no tienen color, sabor, olor, etc, si nadie los percibe. Lo que Bohr sostiene es que algunas de las propiedades que atribuimos a las cosas hacen referencia inevitable a un observador con un sistema sensorial determinado. Aquí es cuando aparece lo más «místico» y «metafísico». No hay nada objetivo, definido e independiente tras determinados atributos de los sistemas microfísicos cuando éstos no están siendo observados. Lo que no son «objetivos» y sin existencia real son algunos atributos del sistema microfísico, no el sistema en sí. Para estas características que cambian en diferentes observaciones su «ser» consiste en «ser percibido», o como diría Heisenberg, su «suceder» está restringido a su observación. Estas características no las tendría el sistema en si mismo, sino que surgen en el contexto experimental. El fenómeno observado no podría ser descrito como el comportamiento del objeto en si mismo. Es resultado de la interacción dentro de la situación experimental, en la que se incluye el instrumento de observación.
Según teoriza Bohr la teoría cuántica no versa directamente sobre la realidad, sino sobre los fenómenos y sobre nuestro conocimiento del sistema. Aquí se huye del realismo científico y se abraza una visión más epistemológica e instrumentalista. Heisenberg llegaría a la conclusión más metafísica dentro de esta interpretación. Según su postura las leyes naturales formuladas dentro de la teoría cuántica no se refieren a las partículas elementales en sí, sino a nuestro conocimiento sobre dichas partículas. Aún las diferencias entre Bohr, Heisenberg y von Neumann, ninguno de ellos negó la existencia de una realidad independiente del sujeto cognoscente, incluso tampoco a nivel cuántico. Según ellos las partículas elementales tenían existencia propia. Lo que se subraya es el carácter instrumentalista de esta interpretación. Según esta visión instrumentalista si la teoría cuántica sólo es útil para conocer ciertos datos empíricos, entonces no podremos extraer información sobre la estructura objetiva de la realidad. El concepto de realidad independiente debe de ser abandonado. Heisenberg, asustado con esta idea tuvo que defender diferenes posturas acerca de esto a lo largo de su vida.
Existen dos ingredientes básicos de la teoría cuántica que nos hacen alejarnos del realismo científico: la interpretación probabilistica de la función de onda y el principio de complementariedad de Bohr. En 1926 Born hizo una crítica a la interpretación realista de Schrödinger que había dado de Ψ y ofreció una interpretación que se consideró como la interpretación ortodoxa. Born pensó que debido a que Ψ era un espacio de múltiples dimensiones (incluso infinitas) y que tenía valor complejo (uso de números complejos) era imposible que tuviera una «interpretación real», tal y como pretendía Schrödinger. Lo que si era real es el cuadrado del valor absoluto de Ψ, que será siempre un número real no negativo. Born defendía que ese cuadrado representaba la posibilidad de encontrar esa partícula en un volumen determinado infinitesimal. Born siguió sosteniendo que las partículas cuánticas, al igual que las clásicas, tenían una posición y momento lineal definidos en cada instante, y reducia los aspectos ondulatorios a una parte de nuestro conocimiento del sistema. Por ello esa probabilidad real sería el resultado de un proceso de medida y no una realidad objetiva. Se trata de la probabilidad de que un observador encuentre la partícula allí si se efectúa una medición, no la probabilidad de que esté allí sin más. Con esto podría darse por solucionado el problema del colapso de la función de onda. No habría ningún colapso de ninguna onda real provocado por nuestra medición, sino un cambio en nuestro conocimiento del estado del sistema.
Sin embargo, el principio de indeterminación de Heisenberg descartó por completo esta idea de Born de la imagen corpuscular. Ya en el congreso de Solvay de 1927 la mayor parte de personas presentes admitieron que la función de onda era una expresión de nuestro estado de conocimiento del sistema y no la representación del objeto en si mismo. Al proponerse los «experimentos de doble rendija» y comprobar que existían fenómenos ondulatorios en éstos, se puso de nuevo en duda si realmente «la función de onda Ψ tenía que ser algo real o era meramente una representación de nuestro conocimiento del sistema».
En lo que se refiere al principio de complementaridad se habla de que es posible determinar el comportamiento de un sistema cuántico atendiendo a su aspecto corpuscular, o bien a su aspecto ondulatorio, puesto que un sistema cuántico muestra ambos aspectos, pero no puede hacerse simultáneamente en un experimento. Bohr llamaria a estas alternativas «descripciones complementarias» del sistema. Según Bohr estas descripciones no lo serían del sistema observado, sino del conjunto del sistema observado y el instrumento de observación. Las descripciones clásicas en términos de ondas y en términos de partículas no son aplicables a una realidad exterior, sino al modo en que la realidad se nos aparece en condiciones experimentales.
Ya en 1927 Heisenberg formula el principio de indeterminación. Es una de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, y se deriva de otras ecuaciones fundamentales de esta teoría. Según este principio existen una magnitudes canónicamente conjugadas como son la posición y la velocidad, o la energía y el tiempo. No podrían ser medidas simultáneamente estas magnitudes conjugadas, por ejemplo la posición y la momento lineal. Cuanta más precisión se consiga en el valor de una de ellas, más indeterminación existe en el conocimiento del valor de su correspondiente conjugada. Al principio Heisenberg pensaba que esta limitación en el conocimiento se producía por una limitación de tipo práctico. Se producía según él una perturbación inevitable en el acto de observación que producen los instrumentos de medida sobre el sistema microfísico, y esa perturbación impediría aumentar la precisión llegado a un límite. Según esta explicación el sistema microfísico posee antes de la observación unos valores determinados y esos valores son levemente modificados por la acción de nuestros instrumentos en el acto de la observación, no llegando nunca a poder conocer el valor exacto. La indeterminación no sería una característica del sistema, sino una incapacidad de poder conocerlo en exactitud. Pero Heisenberg tuvo que abandonar esta idea, y llegó a ponerse de acuerdo con Bohr en que la indeterminación se basa en una tesis propuesta por Bohr. Esta consiste en que el sistema microfísico no posee ciertos atributos de forma definida. Sólo después de una medición (dentro de una situación experimental) el sistema adquiere una valor definido para esos atributos. Dicho de un modo más directo, el electrón no tiene una posición o una velocidad concretos en si mismo. Cuando alguien mide su posición o velocidad, el mismo proceso de medición hace que adquiera una posición o velocidad determinadas, pero si conseguimos medir su posición con mucha exactitud la situación experimental excluye hacer lo mismo con la velocidad (o al contrario), ya que en cada caso necesitariamos diferentes interacciones con el microsistema.
Si la interpretación «perturbacionista» fuese correcta entonces si que habría que pensar (como si que hizo Einstein) que la teoría cuántica no estaba completa. Para Bohr los conceptos que utiliza la física no se refieren a una realidad exterior objetiva, sino que se refiere al resultado de la conjunción de dos sistemas físicos dependientes entre sí: el instrumento de medida y el sistema observado. Finalmente para Heisenberg, Bohr y Born la función de onda Ψ sería un procedimiento de cálculo que delimita la probabilidad de obtener ciertos resultados experimentales, quedando asumido que no existe realidad objetiva ni determinismo científico. Estas ideas aterraban a Einstein.
Este escenario se complica sobre manera cuando von Neumann introduce un ingrediente nuevo en la teoría cuántica: el papel de la conciencia en el acto de medición. Intentó probar que Einstein se equivocaba cuando afirmaba que la teoría cuántica era incompleta, y que se debían de introducir unas variables ocultas para poder superar los problemas que introdujo el entrelazamiento cuántico. Esto lo denominó Einstein «acción fantasmal a distancia» (spooky action at a distance). Más adelante von Neumann intentó desacreditar esta posición de Einstein, demostrando que no se podia completar la teoría mediante variables ocultas con el fin de convertirla en una teoría determinista. Según von Neumann no se podía establecer una frontera entre el objeto observado y el instrumento de medida, con lo cual, a diferencia de lo que Bohr pensaba, el instrumento también puede ser tratado como un sistema cuántico representado por la función de onda. Esto significa que no es en el instrumento donde la función de onda Ψ colapsa. Según von Neumann es la conciencia del observador la que en el momento de la medición hace que el sistema colapse, pasando de estar en una superposición de estados a estar en uno solo de esos estados. La conciencia del observador es el «lugar» donde colapsa la función de onda.
Ya no es sólo que la mecánica cuántica no se refiera a una realidad exterior objetiva, ni sólo a lo fenoménico, ni a la totalidad del sistema observado-observador, sino que todo lo que cualquier persona ha de llamar «realidad» es determinado por la conciencia humana.
Para intentar de nuevo acercarse al realismo, Einstein y sus dos asistentes Podolsky y Rosen publicaron el artículo famoso acerca del «experimento de Einstein-Podolski- Rosen (conocido como experimento EPR). No entraré a explicarlo, pero suponia que la teoría cuántica era incompleta debido a un experimento mental propuesto, y debía de considerarse que el universo tenía propiedades fijadas, y entonces debía de haber unas variables locales ocultas que si que podían explicar, por ejemplo, el entrelazamiento cuántico. Este experimento se basa entre una situación experimental en dos partículas cuánticas entrelazadas.
Bohr y Heisenberg entendieron que Einstein no quería desprenderse de la postura filosófica del realismo científico, y lo acusaron de volverse demasiado conservador en sus ideas intelectuales, y de no querer abrir su mente a la nueva teoría cuántica. Más adelante, los experimentos de Bell y los experimentos de Aspect, mostraron que el realismo de Einstein se hacia insostenible y que la interpretación de Copenhague salía reforzada. Aún asi las esperanzas del realismo científico siguen en marcha. Hoy día muchos científicos siguen considerándose «realistas».
Para explicar el experimento mental de EPR, proponen la siguiente explicación. Cuando no realizamos ninguna medición sobre el sistema este evoluciona según la ecuación de Schrödinger, y no toma valores definidos para los atributos. Se aplica al sistema como un todo, aún cuando sus partes, las dos partículas del experimento EPR se encuentren muy alejadas y hayan dejado de interactuar. Sólo cuando se mide sobre una de las partículas adquiere «realidad» el valor medido sobre una de ellas, pero al ser el sistema de ambas partículas un todo, el resultado de una partícula es algo que «afecta» a ese todo. Se correlaciona el valor de lo medido en una partícula con el valor de la otra. La actualización de las potencialidades provocadas cuando se mide sobre una partícula provocan la actualización sobre las potencialidades en la segunda partícula. No existe una influencia instantánea que se «transmite» entre las dos partículas (cosa que podría incluso violar la teoría de la relatividad) sino que se considera el sistema de dos partículas como un «todo», es decir, un sistema «no-separable».
Algunos científicos buscan todavía una solución alternativa. Renunciar al principio de localidad, sin renunciar al realismo. Serían necesarias propuestos un tanto extrañas para explicar esta posibilidad.
El filósofo cuántico 