La relación entre teología y teoría cuántica es tan pertinente como misteriosa y una tiene profundas implicaciones en la otra.
Por: Stephen M. Barr
La relación entre teología y teoría cuántica es tan pertinente como misteriosa y una tiene profundas implicaciones en la otra. En este artículo, el autor explora esta relación.
La teoría cuántica es inquietante. El premio Nobel Richard Feynman admitió que «parece peculiar y misterioso para todos, tanto para el novato como para el físico experimentado». Niels Bohr, uno de sus fundadores, le dijo a un joven colega: «Si no te aturde, no has entendido nada”. Los físicos han estado discutiendo sobre su interpretación desde los legendarios argumentos entre Bohr y Einstein en la década de 1920. También los filósofos, que están de acuerdo en que tiene profundas implicaciones pero no pueden ponerse de acuerdo sobre cuales son. Incluso el hombre de la calle ha escuchado extraños rumores sobre el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, de que la realidad cambia cuando tratamos de observarla, y de paradojas donde los gatos no están vivos ni muertos hasta que alguien los mira.
La extrañeza cuántica, como a veces se la llama, ha sido una bendición para la charlatanería de la Nueva Era. Libros como The Tao of Physics (1975) y The Dancing Wu Li Masters (1979) popularizaron la idea de que la teoría cuántica tiene algo que ver con el misticismo oriental. Estos libros parecen casi sobrios hoy cuando escuchamos sobre «telepatía cuántica», «ESP cuántica» y, más recientemente, «curación cuántica», una moda creada por el libro de 1990 de Deepak Chopra con ese nombre. Hay una inundación de “chorradas cuánticas” (como lo llamó el físico Murray Gell-Mann). ¿Qué significa todo esto? En medio de todas estas vaguearías, ¿cuáles son las ideas filosóficas serias? ¿Y de los muchos autores que afirman que la teoría cuántica tiene implicaciones favorables para las creencias religiosas, cuáles están proponiendo algo o han sido engañados por el pensamiento confuso y las tonterías de la Nueva Era?
Todo comenzó con un rompecabezas llamado dualidad onda-partícula. Este rompecabezas apareció por primera vez en el estudio de la luz. A finales del siglo XIX se entendía que la luz consistía en ondas en el campo electromagnético que llena todo el espacio. La idea de los campos se remonta a Michael Faraday, quien pensó que las fuerzas magnéticas y eléctricas eran causadas por «líneas de fuerza» invisibles que se extendían entre los objetos. Imaginó que el espacio estaba impregnado de tales campos de fuerza. En 1864, James Clerk Maxwell escribió el conjunto completo de ecuaciones que gobiernan los campos electromagnéticos y mostró que las ondas se propagan en ellos, así como las ondas de sonido se propagan en el aire.
Esta comprensión de la luz es correcta, pero resultó que la historia va más allá. Cosas extrañas comenzaron a aparecer. En 1900, Max Planck descubrió que cierto enigma teórico solo podía resolverse suponiendo que la energía en las ondas de luz se presenta en fragmentos discretos e indivisibles, a los que llamó quanta. En otras palabras, la luz actúa de alguna manera como si estuviera compuesta de pequeñas partículas. La idea de Planck parecía absurda, porque una onda es algo extendido y continuo, mientras que una partícula es algo puntual y discreto. ¿Cómo puede algo ser una cosa y la otra?
Y, sin embargo, en 1905, Einstein descubrió que la idea de Planck era necesaria para explicar otro comportamiento desconcertante de la luz, llamado efecto fotoeléctrico. Estos desarrollos llevaron a Louis de Broglie a hacer una suposición inspirada: si las ondas (como la luz) pueden actuar como partículas, entonces quizás las partículas (como los electrones) pueden actuar como ondas. Y, de hecho, este resultó ser el caso. Se necesitó una generación de físicos brillantes (incluidos Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac y Pauli) para desarrollar una teoría matemáticamente coherente y consistente que describiera y diera sentido a la dualidad onda-partícula. Su teoría cuántica ha sido espectacularmente exitosa. Se ha aplicado a una amplia gama de fenómenos, y cientos de miles de sus predicciones sobre todo tipo de sistemas físicos se han confirmado con una precisión asombrosa.
Los grandes avances teóricos en física típicamente resultan en unificaciones profundas de nuestra comprensión de la naturaleza. Las teorías de Newton dieron una descripción unificada de los fenómenos celestes y terrestres; Las ecuaciones de Maxwell unificaron la electricidad, el magnetismo y la óptica; y la teoría de la relatividad unificó el espacio y el tiempo. Entre las muchas cosas hermosas que la teoría cuántica nos ha dado es una unificación de partículas y fuerzas. Faraday vio que las fuerzas surgen de los campos, y Maxwell vio que los campos dan lugar a ondas. Así, cuando la teoría cuántica mostró que las ondas son partículas (y ondas de partículas), se vislumbra una profunda unidad de la naturaleza: las fuerzas por las cuales la materia interactúa y las partículas de las que está compuesta son ambas manifestaciones de un solo tipo de cosas: «campos cuánticos».
Sin embargo, el enigma de cómo la misma cosa puede ser tanto una onda como una partícula permanece. Feynman lo llamó «el único misterio real» en la ciencia. Y señaló que, si bien «podemos decir cómo funciona», «no podemos hacer que el misterio desaparezca» explicando «cómo funciona». La teoría cuántica tiene un formalismo matemático preciso, uno en el que todos están de acuerdo y que dice cómo calcular las respuestas correctas a las preguntas que hacen los físicos. Pero lo que realmente sucede sigue siendo oscuro, razón por la cual la teoría cuántica ha engendrado debates interminables sobre la naturaleza de la realidad física durante los últimos ochenta años.
El problema es este: a primera vista, la dualidad onda-partícula no solo es misteriosa sino inconsistente de una manera evidente. La inconsistencia se puede entender con un experimento mental. Imagine un estallido de luz desde el cual una onda de luz se extiende a través de una esfera cada vez más amplia en el espacio. A medida que la onda viaja, se atenúa más, ya que la energía en ella se extiende sobre un área cada vez más amplia. (Es por eso que cuanto más lejos está de una bombilla, más débil parece). Ahora, suponga que se configura un dispositivo de recolección de luz, una caja con un obturador, esencialmente una cámara. Cuanto más lejos se coloque del estallido de luz, menos luz recogerá. Suponga que la caja de recolección de luz está configurada a una distancia donde recolectará exactamente una milésima parte de la luz emitida en la explosión. La inconsistencia surge si la explosión original contenía, por ejemplo, cincuenta partículas de luz. Pues entonces parece que el colector de luz debe haber recolectado 0.05 partículas (una milésima de cincuenta), lo cual es imposible, ya que las partículas de luz son indivisibles. Una onda, siendo continua, puede ser infinitamente atenuada o subdividida, mientras que una partícula no.
La teoría cuántica resuelve esto diciendo que el colector de luz, en lugar de recolectar 0.05 partículas, tiene una probabilidad de 0.05 de recolectar una partícula. Más precisamente, el número promedio de partículas que recogerá, si el mismo experimento se repite muchas veces, es 0.05. La dualidad onda-partícula, que dio origen a la teoría cuántica en primer lugar, nos obliga a aceptar que la física cuántica es inherentemente probabilística. En términos generales, en la física clásica pre-cuántica, uno calculba lo que realmente sucedía, mientras que en la física cuántica se calculan las probabilidades relativas de que ocurran varias cosas.
Esto difícilmente resuelve el misterio. La naturaleza probabilística de la teoría cuántica lleva a muchas conclusiones extrañas. Un ejemplo famoso proviene de variar un poco el experimento. Supongamos que se coloca una pared opaca con dos ventanas entre el colector de luz y el estallido de luz inicial. Parte de la onda de luz chocará contra la pared, y otra pasará a través de las ventanas, mezclándose e impactando en el colector de luz. Si el colector de luz recoge una partícula de luz, uno podría imaginar que la partícula tuvo que haber pasado por una ventana u otra. Las reglas del cálculo de probabilidad cuántica, sin embargo, obligan a la extraña conclusión de que de alguna manera inimaginable la única partícula entró por ambas ventanas a la vez. Las ondas, al extenderse, pueden atravesar dos ventanas a la vez, por lo que la dualidad onda-partícula termina implicando que las partículas individuales también pueden hacerlo.
Las cosas se ponen aún más extrañas, y está claro por qué algunas personas lamentan los viejos tiempos cuando las ondas eran onas y las partículas eran partículas. Una de esas personas fue Albert Einstein. Detestaba la idea de que una teoría fundamental solo debería generar probabilidades. «¡Dios no juega a los dados!», Insistió. En opinión de Einstein, la necesidad de probabilidades simplemente mostró que la teoría estaba incompleta. La historia respaldaba su afirmación, ya que en la física clásica el uso de probabilidades siempre provenía de información incompleta. Por ejemplo, si uno dice que hay una probabilidad del 60 por ciento de que una pelota de béisbol golpee una ventana de vidrio, es solo porque uno no conoce la dirección y la velocidad de la pelota lo suficientemente bien. Si uno las conociera mejor (y también conociera la velocidad del viento y todas las demás variables relevantes), definitivamente se podría determinar si la pelota golpearía la ventana. Para Einstein, las probabilidades en la teoría cuántica solo significaban que había variables aún desconocidas: variables ocultas, como se les llama. Si se supieran, entonces, en principio, todo podría predecirse exactamente, como en la física clásica.
Han pasado años, y todavía no hay indicios de ningún experimento de variables ocultas que eliminen la necesidad de probabilidades. De hecho, el famoso Principio de incertidumbre de Heisenberg dice que las probabilidades son imposibles de erradicar de la física. El experimento mental de la explosión de luz y el colector de luz mostró por que, si una misma entidad se comporta como una onda y una partícula, entonces se requiere una comprensión en términos de probabilidades. (Porque, nuevamente, 0.05 de una partícula no tiene sentido, mientras que una probabilidad de 0.05 de una partícula sí.) El Principio de Incertidumbre, el fundamento de la teoría cuántica, implica que incluso si uno tuviera toda la información que hay sobre un sistema físico, su comportamiento futuro no se puede predecir exactamente, solo de manera probabilística.
Esta última afirmación, si es cierta, es de tremenda importancia filosófica y teológica. Significaría el final del determinismo, que durante tanto tiempo parecía haber propuesto el final del libre albedrío. La física clásica era estrictamente determinista, por lo que (como famosamente dijo Laplace) si el estado del mundo físico se especificara por completo en un instante, todo su desarrollo futuro estaría determinado de manera exacta y única. Si un hombre levanta su brazo o asiente con la cabeza ahora sería (en un mundo gobernado por las leyes físicas clásicas) una consecuencia inevitable del estado del mundo hace mil millones de años.
Pero la muerte del determinismo no es la única conclusión profunda que se deriva de la naturaleza probabilística de la teoría cuántica. Una conclusión aún más profunda que algunos han sacado es que el materialismo, tal como se aplica a la mente humana, es erróneo. Eugene Wigner, premio Nobel, argumentó en un famoso ensayo que el materialismo filosófico no es «lógicamente consistente con la mecánica cuántica actual». Y Sir Rudolf Peierls, otro físico destacado, sostuvo que «la premisa que se puede describir en términos de física en general el funcionamiento total de un ser humano… incluyendo su conocimiento y su conciencia, es insostenible «.
Estas son afirmaciones sorprendentes. ¿Por qué una mera teoría de la materia implica algo sobre la mente? El tren de la lógica que lleva a esta conclusión es bastante sencillo, aunque un poco sutil, y se puede comprender sin conocer ninguna matemática o física abstrusa.
Comienza con el hecho de que para cualquier sistema físico, por simple o complejo que sea, existe una ecuación maestra, llamada ecuación de Schrödinger, que describe su comportamiento. Y el punto crucial en el que todo depende es que la ecuación de Schrödinger arroja solo probabilidades. (Solo en casos especiales estos son exactamente 0, o 100 por ciento). Pero esto conduce inmediatamente a una dificultad: no siempre pueden quedar solo probabilidades; eventualmente debe haber resultados definidos, ya que las probabilidades deben ser las probabilidades de resultados definidos. Decir, por ejemplo, que hay un 60 por ciento de posibilidades de que Jane apruebe el examen de francés no tiene sentido, a menos que en algún momento haya un examen de francés en el que Jane reciba una calificación definitiva. Cualquier mera probabilidad eventualmente debe dejar de ser una mera probabilidad y convertirse en una certeza o no tiene sentido ni siquiera como una probabilidad. En la teoría cuántica, el punto en el que esto sucede, el momento de la verdad, por así decirlo, se llama tradicionalmente el colapso de la función de onda.
La gran pregunta es cuándo ocurre esto. Considere nuevamente el experimento mental, donde había una probabilidad del 5 por ciento de que la caja recogiera una partícula y una probabilidad del 95 por ciento de que no recogiera ninguna. ¿Cuándo se produce el resultado definitivo en este caso? Uno puede imaginar poner un mecanismo en la caja que registra cuándo se ha recogido una partícula de luz haciendo, por ejemplo, que se encienda una luz indicadora roja. La respuesta entonces parecería clara: el resultado definitivo ocurre cuando se enciende la luz roja (o no lo hace). Pero esto realmente no produce un resultado definitivo, por una simple razón: cualquier mecanismo que uno ponga en la caja de recolección de luz es solo un sistema físico y, por lo tanto, se describe mediante una ecuación de Schrödinger. Y esa ecuación produce solo probabilidades. En particular, diría que hay un 5 por ciento de posibilidades de que la caja recoja una partícula y que la luz indicadora roja esté encendida, y un 95 por ciento de posibilidades de que no recoja una partícula y que la luz indicadora esté apagada. No se ha producido un resultado definitivo. Ambas posibilidades permanecen en juego.
Este es un profundo dilema. Una probabilidad eventualmente debe resolverse en un resultado definido para que tenga algún significado, y sin embargo, las ecuaciones de la teoría cuántica cuando se aplican a cualquier sistema físico producen solo probabilidades y no resultados definitivos.
Por supuesto, parece que cuando una persona mira la luz roja y se da cuenta de que está encendida o apagada, las probabilidades dan paso a un resultado definitivo, porque la persona conoce la verdad del asunto y puede afirmarlo con certeza. Y esto lleva a la notable conclusión de este largo tren de lógica: siempre y cuando solo intervengan estructuras y mecanismos físicos, por complejos que sean, su comportamiento se describe mediante ecuaciones que solo generan probabilidades, y una vez que una mente que puede hacer un juicio racional está involucrada, y así llegar al conocimiento, hay certeza. Por lo tanto, tal mente no puede ser solo una estructura física o mecanismo completamente describible por las ecuaciones de la física.
¿Ha habido algún turco? ¿Cómo ha entrado la mente de repente en escena? Se remonta a las probabilidades. Una probabilidad es una medida del estado de conocimiento o falta de conocimiento de alguien. Dado que la teoría cuántica es probabilística, hace referencia esencial al estado de conocimiento de alguien. Este alguien se llama tradicionalmente el observador. Como explicó Peierls, «La descripción de la mecánica cuántica es en términos de conocimiento, y el conocimiento requiere de alguien que sepa».
He estado explicando algunas de las implicaciones (como las vieron Wigner, Peierls y otros) de lo que generalmente se llama la interpretación tradicional, de Copenhague o estándar de la teoría cuántica. El término «interpretación de Copenhague» es desafortunado, ya que lleva consigo el bagaje de las opiniones filosóficas de Niels Bohr, que eran, en el mejor de los casos, vagas y, en el peor, incoherentes. Uno puede aceptar los contornos esenciales de la interpretación tradicional (primero claramente delineada por el gran matemático John von Neumann) sin respaldar cada opinión de Bohr.
Hay muchas personas que no toman en serio la interpretación tradicional de la teoría cuántica, precisamente porque le da una importancia demasiado grande a la mente del observador humano. Se han presentado muchos argumentos para mostrar su absurdo, el más famoso es la paradoja del gato Schrödinger. En esta paradoja, uno imagina que el mecanismo en la caja de recolección de luz mata a un gato en lugar de simplemente encender una luz roja. Si, como dice la opinión tradicional, no hay un resultado definitivo hasta que el observador humano sepa el resultado, entonces parecería que el gato permanece en algún tipo de limbo, ni vivo ni muerto, sino 95 por ciento vivo y 5 por ciento muerto , hasta que el observador abre la caja y mira al gato, lo cual es absurdo. Significaría que nuestras mentes crean la realidad o que la realidad tal vez solo está en nuestras mentes. Muchos filósofos atacan la interpretación tradicional de la teoría cuántica porque niega la realidad objetiva. Otros la atacan porque no les gusta la idea de que las mentes sean algo especial que la física no puede describir.
La interpretación tradicional ciertamente lleva a preguntas filosóficas espinosas, pero muchos de los argumentos comunes en su contra se basan en una caricatura de esta. La mayoría de sus absurdos aparentes se evaporan si se reconoce que lo que se calcula en la función de onda de la teoría cuántica no debe identificarse simplemente con lo que está sucediendo, ha sucedido o sucederá, sino con lo que alguien está en condiciones de afirmar sobre lo que está sucediendo, ha sucedido o sucederá. Nuevamente, se trata del conocimiento de alguien (el observador). Antes de que el observador abra la caja y mire al gato, no está en condiciones de afirmar definitivamente si el gato está vivo o muerto; después sí lo está, pero la interpretación tradicional no implica que el gato esté en un limbo extraño hasta que el observador mira. Por el contrario, cuando el observador verifica la condición del gato, su observación puede incluir todas las pruebas de patología forense que le permitirían determinar el momento de la muerte del gato y decir, por ejemplo, que ocurrió treinta minutos antes de abrir el caja. Esto es completamente consistente con la interpretación tradicional de la teoría cuántica. Otro observador que vio al gato en un momento diferente tendría un «momento de la verdad» diferente (por lo que la función de onda que expresa su estado de conocimiento colapsaría cuando mirara), pero deduciría el mismo tiempo de muerte para el gato. Aquí no hay nada subjetivo sobre la muerte del gato o cuándo ocurrió.
La interpretación tradicional implica que solo conocer A, B y C, y aplicar las leyes de la teoría cuántica, no siempre responde (excepto probabilísticamente) a si D es verdadero. Descubrir definitivamente D puede requerir otra observación. El papel supuestamente absurdo del observador es realmente solo concomitante con el fracaso del determinismo.
La tendencia de opinión entre los físicos y filósofos que piensan sobre tales cosas está lejos de la vieja interpretación de Copenhague, que fue preminente durante cuatro décadas. Sin embargo, solo hay unas pocas alternativas coherentes. Una interpretación cada vez más popular es la interpretación de muchos mundos, basada en el artículo de Hugh Everett de 1957, que toma las ecuaciones de la física como toda la historia. Si la ecuación de Schrödinger nunca da resultados definidos y únicos, pero deja todas las posibilidades en juego, entonces deberíamos aceptar esto, en lugar de invocar a observadores misteriosos con los momentos de verdad de sus mentes.
Entonces, por ejemplo, si las ecuaciones asignan el número 0.05 a la situación en la que se ha recogido una partícula y la luz roja está encendida, y el número 0.95 a la situación en la que no se ha recogido ninguna partícula y la luz roja está apagada, entonces deberíamos decir que ambas situaciones son partes de la realidad (aunque una parte es en algún sentido más grande que la otra en la proporción de 0.95 a 0.05). Y si un observador mira la luz roja, entonces, dado que él es solo parte del sistema físico y está sujeto a las mismas ecuaciones, habrá una parte de la realidad (0.05 de la misma) en la que verá la luz roja encendida y otra parte de la realidad (0.95) en la que ve la luz roja apagada. Entonces, la realidad física se divide en muchas versiones o ramas, y cada observador humano se divide con ella. En algunas ramas, un hombre verá que la luz está encendida, en algunas verá que la luz está apagada, en otras estará muerto, y en otras nunca habrá nacido. Según la interpretación de muchos mundos, hay un número infinito de ramas de la realidad en las que los objetos (ya sean partículas, gatos o personas) tienen ramificaciones infinitas de historias alternativas, todas igualmente reales.
No es sorprendente que la interpretación de muchos mundos sea tan controvertida como la vieja interpretación de Copenhague. En opinión de algunos pensadores, la interpretación de Copenhague y de muchos mundos comete el mismo error fundamental. Dicen que toda la idea de la dualidad onda-partícula fue un giro equivocado. Las probabilidades son necesarias en la teoría cuántica porque de ninguna otra manera se puede entender que la misma entidad es tanto una onda como una partícula. Pero hay una alternativa, volviendo a De Broglie, que dice que no son la misma entidad. Las ondas son ondas y las partículas son partículas. Las ondas guían, o «pilotan», las partículas y les dice a dónde ir. Las partículas surfean la onda, por así decirlo. En consecuencia, no hay contradicción al decir que una pequeña fracción de la onda ingresa al colector de luz y que ingresa un número entero de partículas, o al decir que la onda atravesó dos ventanas a la vez y cada partícula atravesó solo una.
La idea de la onda piloto de De Broglie fue desarrollada mucho más por David Bohm en la década de 1950, pero solo recientemente ha atraído a muchos seguidores. La «teoría de Bohmian» no es solo una interpretación diferente de la teoría cuántica; es una teoría diferente. Sin embargo, Bohm y sus seguidores han podido demostrar que muchas de las predicciones exitosas de la teoría cuántica pueden reproducirse en las suyas. (Es cuestionable si todas pueden serlo). La teoría de Bohm puede verse como una realización de la idea de Einstein de las variables ocultas, y sus defensores lo ven como una reivindicación del conocido rechazo de Einstein de la teoría cuántica estándar. Como Einstein hubiera querido, la teoría de Bohmian es completamente determinista. De hecho, es una forma extremadamente inteligente de convertir la teoría cuántica en una teoría clásica y esencialmente newtoniana.
Los defensores de esta idea creen que resuelve todos los enigmas cuánticos y es la única forma de preservar la cordura filosófica. Sin embargo, la mayoría de los físicos, aunque impresionados por su inteligencia, lo consideran altamente artificial. En mi opinión, la objeción más seria es que deshace uno de los grandes triunfos teóricos en la historia de la física: la unificación de partículas y fuerzas. Se deshace del misterio de la teoría cuántica al sacrificar gran parte de su belleza.
¿Cuáles son, entonces, las implicaciones filosóficas y teológicas de la teoría cuántica? La respuesta depende de qué escuela de pensamiento (Copenhague, muchos mundos o bohmiano) se acepte. Cada uno tiene sus puntos fuertes, pero cada uno también tiene características que muchos expertos encuentran inverosímiles o incluso repugnantes.
Uno puede encontrar científicos religiosos en cada campo. Peter E. Hodgson, un conocido físico nuclear católico, insiste en que la teoría de Bohmian es la única alternativa metafísicamente sólida. No se inmuta porque traiga de vuelta el determinismo y el mecanismo newtonianos. Don Page, un conocido cosmólogo teórico que es cristiano evangélico, prefiere la interpretación de muchos mundos. No le molesta la consecuencia de que cada uno de nosotros tenga un número infinito de alter egos.
Mi propia opinión es que la interpretación tradicional de Copenhague de la teoría cuántica todavía tiene más sentido. En dos aspectos, parece bastante congruente con la cosmovisión de las religiones abrahámicas: abole el determinismo físico y otorga un estado ontológico especial a la mente del observador humano. Del mismo modo, parece bastante poco agradable para el misticismo oriental. Como señaló el físico Heinz Pagels en su libro El Código Cósmico: “El budismo, con su énfasis en la visión de que la distinción mente-mundo es una ilusión, está realmente más cerca de la física clásica, newtoniana y no de la teoría cuántica [como se interpreta tradicionalmente], para lo cual la distinción observador-observada es crucial «.
Si algo está claro, es que la teoría cuántica sigue siendo tan misteriosa como siempre. No podemos saber si el futuro traerá interpretaciones más convincentes o incluso modificaciones a las matemáticas de la teoría misma. Aún así, como observó acertadamente Eugene Wigner, «seguirá siendo notable, de cualquier forma que se desarrollen nuestros conceptos futuros, que el estudio mismo del mundo externo conduzca a la conclusión de que el contenido de la conciencia es una realidad última». Esta conclusión no es popular entre aquellos que reducirían la mente humana a un mero epifenómeno de la materia. Y, sin embargo, la materia misma parece decirnos que su conexión con la mente es más sutil de lo que se sueña en su filosofía.
Stephen M. Barr es físico teórico de partículas en el Instituto de Investigación Bartol de la Universidad de Delaware y autor de Modern Physics and Ancient Faith y A Student’s Guide to Natural Science.
Fuente: First Things / Traducido con ligeras modificaciones editoriales por Truth Seeker Es