Stephen Hawking: El Gran Diseño

Según la física cuántica, sea cual sea nuestra capacidad de obtener información o nuestra capacidad de cálculo, no podemos predecir con certidumbre los resultados de los procesos físicos porque no están determinados con certidumbre. En lugar de ello, dado el estado inicial de un sistema la naturaleza determina su estado futuro mediante un proceso fundamentalmente incierto. En otras palabras, la naturaleza no dicta el resultado de cada proceso o experimento ni siquiera en las situaciones más simples. Más bien, permite un número de eventualidades diversas, cada una de ellas con una cierta probabilidad de ser realizada. Es, parafraseando a Einstein, como si Dios lanzara Los dados antes de decidir el resultado de cada proceso físico. La idea inquietó a Einstein y, a pesar de que fue uno de los padres de la física cuántica, posteriormente se convirtió en uno de sus críticos más destacados.

Puede parecer que la física cuántica mine la idea de que la naturaleza está regida por leyes, pero no es ese el caso, sino que nos lleva a aceptar una nueva forma de determinismo: dado el estado de un sistema en un cierto momento, las leyes de la naturaleza determinan las probabilidades de los diversos futuros y pasados en lugar de determinar con certeza el futuro y el pasado. Aunque esto resulta desagradable para algunos, los científicos debemos aceptar teorías que concuerden con los experimentos y no con nuestras nociones preconcebidas.

Lo que la ciencia pide a una teoría es que pueda ser puesta a prueba. Si la naturaleza probabilística de las predicciones de la física cuántica significara que es imposible confirmar dichas predicciones, las teorías cuánticas no se calificarían como teorías válidas. Pero a pesar de la naturaleza probabilística de sus predicciones, podemos someter a prueba las teorías cuánticas. Por ejemplo, podemos repetir muchas veces un experimento y confirmar que la frecuencia con que se obtienen los diversos resultados es conforme a las probabilidades predichas. Consideremos el experimento con los fullerenos. La física cuántica nos dice que nada está localizado en un punto definido porque, si lo estuviera, la incertidumbre en su cantidad de movimiento sería infinita. De hecho, según la física cuántica, cada partícula tiene una cierta probabilidad de ser hallada en cualquier punto del universo. Así pues, incluso si las probabilidades de hallar un electrón dado dentro del aparato de doble rendija son muy elevadas, siempre habrá una cierta probabilidad de que pueda ser hallado, por ejemplo, más allá de la estrella Alfa Centauri o en el pastel de carne de la cafetería de la oficina. Como consecuencia, si impulsamos un fullereno cuántico y lo dejamos volar, por grandes que sean nuestras habilidades y conocimientos no podremos predecir con exactitud dónde aterrizará. Pero si repetimos muchas veces dicho experimento, los datos que obtengamos reflejarán la probabilidad de hallarlo en diversas posiciones, y los experimentadores han confirmado que los resultados de tales pruebas concuerdan con las predicciones de la teoría.

Es importante advertir de que las probabilidades en la física cuántica no son como las probabilidades en la física newtoniana o en la vicia corriente. Para comprenderlo, podemos comparar los patrones formados por el haz de fullerenos lanzados contra una pantalla con el patrón de agujeros hechos en una diana por los lanzadores de dardos que aspiran a dar en el centro. Salvo que los jugadores hayan consumido demasiada cerveza, la probabilidad de que un dardo vaya a parar cerca del centro son mayores v disminuye a medida que nos alejamos de él. Tal como ocurre con los fullerenos, cualquier dardo puede ir a parar a cualquier sitio, pero con el lanzamiento de más y más dardos irá emergiendo un patrón de agujeros que reflejará las probabilidades subyacentes. En la vida cotidiana, podemos expresar esa situación diciendo que un dardo tiene una cierta distribución de probabilidad de aterrizar en puntos diversos; pero esto, a diferencia del caso de los fullerenos, refleja tan sólo que nuestro conocimiento de las condiciones del lanzamiento del dardo es incompleto. Podríamos mejorar nuestra descripción si conociéramos exactamente la manera en que el jugador ha lanzado el dardo: su ángulo, rotación, velocidad y otras características. En principio, entonces, podríamos predecir con tanta precisión como deseáramos dónde aterrizará el dardo. La utilización de términos probabilísticos para describir el resultado de los sucesos de la vida cotidiana no es un reflejo, pues, de la naturaleza intrínseca del proceso, sino tan sólo de nuestra ignorancia de algunos de sus aspectos.

Las probabilidades en las teorías cuánticas son diferentes. El modelo cuántico de la naturaleza entraña principios que entran en contradicción no sólo con nuestra experiencia cotidiana, sino también con nuestro concepto intuitivo de realidad. Los que encuentran que esos principios son extraños o difíciles de creer están en buena compañía, la de grandes físicos como Einstein e incluso Feynman, cuya descripción de la física cuántica pronto presentaremos. De hecho, una vez Feynman escribió: «creo que puedo afirmar con seguridad que nadie comprende la física cuántica». Pero la física cuántica concuerda con las observaciones. Nunca ha dejado de superar una prueba, y eso que ha sido puesta a prueba más veces que ninguna otra teoría en la historia de la ciencia.

En la década de 1940, el físico americano Richard Feynman tuvo una intuición sorprendente respecto de la diferencia entre el mundo cuántico y el mundo newtoniano. Feynman se sentía intrigado por cómo surge el patrón de interferencias en el experimento de la doble rendija. Recordemos que el patrón que hallamos cuando hacemos el experimento con las dos rendijas abiertas no es la suma de los patrones obtenidos cuando hacemos el experimento dos veces, una con sólo la rendija izquierda abierta, y otra con sólo la rendija derecha abierta. En su lugar, cuando las dos rendijas están abiertas hallamos una serie de franjas iluminadas y oscuras; estas últimas corresponden a zonas en que no van a parar partículas. Ello significa que las partículas que habrían ido a parar a la zona de la franja oscura si, digamos, tan sólo estuviera abierta la rendija de la izquierda, no aterrizan allí cuando la rendija de la derecha también está abierta. Parece como si, en algún punto de su viaje desde la fuente a la pantalla, las partículas adquirieran información sobre las dos rendijas. Este tipo de comportamiento es drásticamente diferente de la manera en que las cosas parecen comportarse en la vida cotidiana, en que una bolita seguiría un camino a través de una rendija sin ser afectada por la situación en la otra rendija.

Según la física newtoniana -y según la manera en que funcionaría el experimento si lo realizáramos con balones de fútbol en lugar de con moléculas-, cada partícula sigue un camino bien definido desde su fuente a la pantalla. En esa descripción, no cabe la posibilidad de una desviación en que la partícula visite la vecindad de cada rendija a lo largo de su camino. Según el modelo cuántico, en cambio, la partícula no tiene posición definida durante el tiempo que transcurre entre su posición inicial y su posición final. Feynman se dio cuenta de que eso no se tiene que interpretar como si las partículas no tomaran ningún camino mientras viajan de la fuente a la pantalla, sino como si tomaran a la vez todos los caminos posibles entre ambos puntos. Eso, según Feynman, es lo que hace que la física cuántica sea diferente de la física newtoniana. Importa la sitúación en las dos rendijas porque, en lugar de seguir un solo camino bien definido, las partículas toman todos los caminos y los toman ¡simultáneamente! Eso suena a ciencia ficción, pero no lo es. Feynman formuló una expresión matemática -la suma de Feynman sobre las historias- que refleja esa idea y que reproduce todas las leyes de la física cuántica. En la interpretación de Feynman, las matemáticas y la imagen física son diferentes de las de la formulación original de la física cuántica, pero las predicciones son las mismas.