Ramon Lapiedra Civera - Els dèficits de la realitat i la creació del món

La mecànica quàntica s’ha 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 l’enllaç 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 d’energia del material formen sèries de valors molt junts, les bandes energètiques separades entre si per salts d’energia 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 l’elaboració d’heteroestructures 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 d’efecte túnel... Més coneguts socialment són instruments com el TAC o la ressonància magnètica d’aplicació en medicina. La connexió entre la física quàntica i la tecnologia en l’àrea 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 s’han arribat a explorar distàncies de l’ordre d’una centmilionèsima part (10 –8) de les distàncies atòmiques, i no s’hi 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 l’origen de l’Univers. El primer aspecte quàntic que es discuteix en el llibre és el caràcter probabilista, indeterminista, en la predicció científica del resultat de mesura d’una 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 d’incertesa de Heisenberg: l’especificació de la posició d’una partícula amb una incertesa està correlacionada amb un límit a la precisió amb què l’impuls d’aquesta 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. D’aquesta 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 l’evolució acausal d’un 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 d’exigir que, després del resultat de mesura de l’observable, el sistema físic, siga quin siga l’estat abans de la mesura, haja de col·lapsar en l’estat propi associat amb el corresponent resultat de mesura. És l’única 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 l’estat 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 –l’aparell de mesura– hi ha aspectes d’irreversibilitat 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 l’objecte macroscòpic que és l’aparell 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 l’estat col·lapsat de viu o de mort, el que està d’allò més d’acord amb la lògica quotidiana. L’aspecte 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 d’un objecte compost podem dividir-lo en parts. Això suposa que, no sols l’objecte sencer sinó també cadascuna de les parts, tenen una realitat ben definida: els elements de realitat, en paraules d’Einstein. 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 d’Einstein, 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 d’aquestes 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.

I l’últim capítol en aquesta discussió de la no separabilitat de sistemes correlacionats, on el tot és més que la suma de les parts, està encara per escriure. O millor, està escrivint-se: és la nova teoria quàntica de la informació. L’ús d’estats quàntics entrellaçats no separables per a tecnologies de la informació i les comunicacions, ara en els seus balbuceigs, pot obrir desenvolupaments revolucionaris en criptografia, teleportació i computació quàntiques que no es podien imaginar fa tan sols uns quants anys... De la filosofia a la física, de la física a la tecnologia!

És la mecànica quàntica una teoria objectiva? És realista? La primera qüestió és, en part, pròpia de la física, mentre que la segona entra de ple en la filosofia. Segons Kant, diem que alguna cosa és objectiva si existeix fora de la ment humana, és a dir, com un objecte independent de la ment. La qüestió de l’objectivitat en mecànica quàntica prové sobretot del problema del col·lapse de l’estat quàntic com a producte de la mesura. Avui es pot dir que la interpretació subjectiva d’aquest col·lapse no és obligatòria i que existeixen interpretacions objectives que semblen plenament consistents. No és clar, però, que aquesta interpretació objectiva siga única; no obstant, almenys ens permet donar una resposta positiva a la primera pregunta. Quan s’especifica una propietat o s’arriba a una conclusió, la teoria quàntica només fa ús de fets ben establerts. La teoria no fa referència a cap cosa que tinga a veure amb la ment humana.