Sobre física cuántica…

Por:  ivanloredovidal

Cuando alguien que no es físico te habla de física cuántica…

El famoso astrofísico estadounidense y director del Planetario Hayden en el museo de historia natural de Nueva York (y divulgador de ciencia a la usanza de Carl Sagan), Neil DeGrasse Tyson, recientemente contestó en un debate con 2 neurofisiólogas, que cuando alguien habla de física cuántica para explicar cualquier cosa que no entiende o no sabe, solo demuestra lo poco o nada que sabe de física cuántica, (min. 20:30, aunque todo el debate es muy bueno y vale la pena verlo completo):

Primeramente, la física cuántica es ciencia (no es creencia) y es suficientemente bien entendida y aplicada por científicos e ingenieros especializados, a quienes les debemos los avances tecnológicos computacionales que permiten que existan las computadoras y los teléfonos actuales a través de la física del estado sólido (nanotecnología y la QIT*),  que depende de la interacción de la mecánica cuántica para el funcionamiento de esos aparatos.

*Explicada más adelante.  

 

Segundamente, cuando se habla de física cuántica, en realidad es mecánica cuántica a lo que se refiere, ya que en física, hay dos mecánicas: la mecánica clásica de Newton (fuerzas, gravedad, etc.) y la mecánica a nivel nuclear (mecánica cuántica), ambas dentro de la ciencia de la física.

Terceramente, para l@s que gustan de los temas de aspectos de creencias espirituales, tienen muchos ámbitos en donde desarrollarse (principalmente en los esotéricos, religiosos, mitológicos, folclóricos, filosóficos e ideológicos). En la ciencia, sin embargo, no tienen cabida (sobre todo en la física).

De hecho, el término “cuántico” viene de quanta o quantus del Latín que significa “cuan grande” y la  frase “quantum mechanics” (mecánica cuántica) fue inventada en alemán como Quantenmechanik, por el grupo de físicos Max Born, Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli, en la Universidad de Göttingen en los años 20 (en el Siglo XX), y fue usado formalmente por primera vez en la tesis de Born en 1924 denominado “Zur Quantenmechanik” (de mecánica cuántica).

El problema actual con todo el tema malinterpretado de la “espiritualidad cuántica” se intensificó después de la película del 2004 “Y tú qué !@#$%&/%#$%& sabes?” (What the bleep do we know), la cual esotéricamente convierte a la mecánica cuántica en una pseudo ciencia, pseudo conciencia y pseudo filosofía de espiritualidad y misticismo (para quien no sabe de física), asumiendo que como la física cuántica es altamente contra intuitiva e incierta (cuando no es incierta, sino probabilística), alienta a la gente quienes, sin bases en física, inventen algo según su escaso o nulo entendimiento al respecto y posteriormente, responsabilicen a la física cuántica por ello, justificándose en la incertidumbre de la teoría, asumiendo que nadie entiende lo que es, y, por lo tanto, que todas las opiniones al respecto son válidas, lo cual es incorrecto.

El filme aunque entretenido, es confuso, tendencioso y maldireccionado en el entendimiento de la física cuántica, ya que es subjetivo, imaginativo, fantasioso, místico y no científico, poniendo mayor énfasis (al editar las opiniones completas) en los esotéricos que en los científicos entrevistados para que parezca que los científicos (para los inexpertos), están de acuerdo con los esotéricos.

No estoy diciendo que el filme no cuestione aspectos místicos y filosóficos trascendentales, claro que lo hace, solo que la física cuántica no tiene algo que ver al respecto ya que es ciencia, no filosofía ni mística, como se demuestra más adelante. Y como el filme que parece un documental (no siéndolo), es mucho más fácil de “digerir” que un documental real de ciencia, evidentemente causó que tuviera mucho éxito, produciendo la secuela y una gran cantidad de libros al respecto (ninguno de ciencia), lo que ha causado que mucho@s hoy en día, según ell@s, “sepan” algo de física cuántica, lo cuál como se demostrará más adelante no es la realidad.

Para un mejor entendimiento general real de lo que es la física cuántica, el siguiente documental (explicado por físicos), es muy revelador:

En realidad, la física cuántica comenzó en 1905 con Albert Einstein por medio de un concepto de Max Planck postulado en 1900 (por el que ganó el Nobel de física en 1918), iniciado por las observaciones de Michael Faraday, Gustav Kirchhoff, Ludwig Boltzman y Heinrich Hertz, en el cual Planck derivó la hipótesis de que un sistema irradiando energía atómica solo puede ser dividido en elementos de energía, ε (la letra griega epsilon), los cuales son proporcionales a su frecuencia, ν, en la cual irradian energía individual definida por la fórmula \epsilon =h\nu \,, donde h es el valor numérico llamado la constante de Planck que equivale a 6.626070040(81)×10−34 Julios por segundo. 

Einstein, en su tesis del efecto fotoeléctrico (por el cual ganó el Nobel de Física en 1921), entendió el hecho y lo explicó como la “cuantificación” de la energía de la luz ya que la luz (fotones) viene en paquetes de energía indivisibles que pueden ser cuantificados en la ecuación  antes descrita de E= hv donde E es la energía, h es la constante de Planck (también descrita anteriormente) y v es la frecuencia.

Einstein descubrió que la luz es parte onda y parte partícula con una “cuanta” de energía igual a la frecuencia de la onda multiplicada la constante de Planck.

En este mini documental,  el físico Matt O´Dowd explica la complejidad y el origen de la física (mecánica) cuántica:

Más adelante, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger  entenderían porque cuando se observan los fotones de la luz, estos actúan como partículas, pero cuando no son observados, actúan como ondas (es decir, que dejan un patrón diferente dependiendo de la observación), cuya función de onda dada por, Ψ (psi), es un estado probabilístico, estadístico y de incertidumbre más que una onda tangible en sí misma.

La interpretación de los diversos mundos cuánticos (y el concepto del multiverso), se puede entender con la siguiente ilustración:

Y el experimento mental del gato de Shrödinger nos da la interpretación de Copenague de la física cuántica:

Lo que ambos ejemplos describen es que la física cuántica es (como todo), acerca de probabilidades (medibles y calculables).

Heisenberg.

El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg también indica que uno cambia lo que observa ya que interactúa con el sistema mismo.

Para entenderlo, les comparto la siguiente clase:

Para l@s matemáticamente apt@s, les comparto una clase introductoria de mecánica cuántica del reconocido profesor de física teórica de Stanford, Leonard Susskind (quien famosamente le ganó el debate a Stephen Hawking descubriendo el error de Hawking en su ecuación de la paradoja de información en un hoyo negro en donde la función de onda, Ψ, psi, se colapsa y se pensaba que se perdía la información a través de la evaporación de la radiación de Hawking, lo cual ahora sabemos que no es así por el concepto del Universo Holográfico, en el cual siendo este un plano de dos dimensiones, se refleja en un plano de tres dimensiones, además violaría el concepto fundamental de la conservación de energía):

Y aquí una clase del retirado profesor Walter Lewin de MIT:

Continuando…

Cuando la física cuántica fue investigada por Niels Bohr (ganador del Nobel de física en 1922), Einstein jamás estuvo convencido con la explicación de la mecánica cuántica de Bohr (por lo cual debatieron públicamente muchos años), porque no tuvieron éxito al intentar unificar las fuerzas de la  naturaleza: el electromagnetismo; la nuclear: la fuerte y la débil; la gravedad y  la mecánica cuántica.

Cabe señalar que nadie aún las ha podido unificar (ni por mentes tan brillantes como las de Richard Feynman (el más cercano en conseguirlo), Stephen Hawking, Roger Penrose, Leonard Susskind, Steven Weinberg, Edward Witten, etc.), porque nadie aún entiende bien lo que pasa con la gravedad a un nivel cuántico (de lo muy, muy, muy pequeño). Solo se sabe que la gravedad y mecánica “newtoniana” no aplica.

Por eso, Niels Bohr famosamente excamó: “Cualquiera que no esté conmocionado con la teoría cuántica, no la ha entendido.”

El maravilloso Nobel de física, Richard Feynman, nos dijo con su brillante ingenio y perspicacia, que en realidad  no la hemos entendido aunque creamos entenderla:

Algo que se resolvió: la función de la onda de hidrógeno en el principio de incertidumbre:

Solución propuesta a la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrógeno en diferentes niveles de energía. Mientras más claro o blanco, mayor la probabilidad de encontrar un electrón.

El problema es que a nivel sub-sub-sub atómico (estamos hablando de dimensiones planckianas, es decir, muy, muy, muy pequeñas del orden de longitud igual hasta de 1.616229(38)×10−35  metros, siendo esta una de las tres constantes universales fundamentales junto con la velocidad de la luz y la constante gravitatoria de Newton), los campos de gluónes con sus up and down quarks que componen al protón y al neutrón (también conocidos como fermiones), no obedecen las leyes de la mecánica clásica newtoniana. Todo lo que sucede a nivel cuántico es contra intuitivo de esa manera.

Sin embargo, eso no significa que no se puedan hacer predicciones con cierto grado de certeza.

El Higgs-Boson y los glúones.

El descubrimiento de la partícula Higgs-Boson (y su campo, el cual permite que se generen partículas de la nada), y el campo de gluónes que permite que se generen los “quarks” también de la nada y que componen a los protones y neutrones, es un ejemplo del porqué no aplica la física convencional en ese mundo.

Aquí es físico experimental, Daniel Whiteson, nos explica al respecto desde CERN en Ginebra:

Y eso es justamente lo que los científicos experimentales e ingenieros del colisionador de hadrones en Ginebra (CERN), hacen diariamente.

También lo hacen los físicos teóricos de partículas (como el personaje de Sheldon Cooper en the Big Bang theory), en sus pintarrones, con las matemáticas avanzadas y diagramas de Richard P. Feynman:

Diagrama simple de Feynman para describir la interacción entre dos electrones mediante el intercambio de un fotón. Feynman (uno de los co-creadores de la teoría), inventó este tipo de diagramas para los cálculos de QED*. QED (o Quantum Electrodynamics) es una de las teorías más precisas de que se crearon jamás. Puede hacer predicciones con hasta veinte cifras decimales de precisión, por esa razón la teoría fue llamada “la joya de la física” y les otorgaron el Nobel.

*Es la teoría cuántica del campo electromagnético.

QED

QED es la teoría con más puntos decimales de precisión que se ha formulado jamás, y por su concepción, Feynman y sus dos colegas (Julian Schwinger e Itiro Tomonaga) recibieron el premio Nobel de física en 1965 por la QED.

In la física de partículas, quantum electrodynamics (electrodinámica cuántica) es la teoría relativística del campo cuántico de la electrodinámica, y describe cómo la luz y la materia interactúan y es la primera teoría en la cual hay un total acuerdo entre la física cuántica y la relatividad especial (lo que no hay, por ejemplo, con la teoría de cuerdas y nudos).

QED describe matemáticamente los fenómenos que involucran a las partículas con carga eléctrica que interactúan mediante el intercambio de fotones y representa la contraparte cuántica del electromagnetismo de James Maxwell, en la cual .se da una explicación completa de la materia que interactúa con la luz.

Matemáticamente, QED mide la interacción entre las cargas de partículas con “spin-1/2” en su campo electro magnético. La función lagrangiana del QED por una partícula con spin* de -1/2 campo interactuando con el campo electromagnético está dado por:

{\mathcal {L}}={\bar {\psi }}(i\gamma ^{\mu }D_{\mu }-m)\psi -{\frac {1}{4}}F_{\mu \nu }F^{\mu \nu }

Donde,

\gamma ^{\mu }es la matriz de Dirac.
\psi  es la función de onda de campo para las partículas de spin -1/2 como en el campo del electrón y su positrón.
{\bar {\psi }}\equiv \psi ^{\dagger }\gamma ^{0}, “psi-bar”, es la adjunción Dirac.
D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }+ieA_{\mu }+ieB_{\mu }\,\! es la derivada de la covariante.
e es la constante de conjunción, igual a la carga eléctrica del campo “bispinor”.
m es la masa del electrón or positrón.
A_{\mu } es la covariante potencial del campo electro magnético generado por el electrón.
B_{\mu } es el campo externo impuesto por la fuente externa.
F_{\mu \nu }=\partial _{\mu }A_{\nu }-\partial _{\nu }A_{\mu }\,\! es el tensor del campo electromagnético.

Así que gracias a la precisión de la QED, vemos que la física cuántica no es lo que los que no saben de física cuántica  creen.

*En mecánica cuántica y física de partículas, el spin  es una forma intrínseca del momento angular que llevan las partículas elementales  como los hadrones (protones, neutrones, electrones, positrones, etc.) en el núcleo atómico. El spin es una propiedad de las partículas y su característica numérica, define el tipo de partículas que son.

Ejemplo de la superposición del momento angular o spin de las partículas:

La superposición cuántica es algo que existe entre partículas en diferentes estados y posiciones con diferentes energías y velocidades. Solo que como la mecánica cuántica es impredecible, las partículas pueden existir en todos los estados posibles al mismo tiempo, juxtaponiéndose como si fueran ondas.

Esta es la  superposición de estados (excepto en el principio de exclusión de Wolfgang Pauli el cual dice que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico). Sin embargo, una vez que la medición de una partícula esta hecha, y se sabe ya sea su energía o posición, la superposición se pierde y se tiene noción de una partícula en un estado conocido.

QIT

Quantum Information Theory (teoría de información cuántica) en física y ciencias computacionales, es la información contenida en un estado de un sistema cuántico. La información cuántica se puede manipular con técnicas procesamiento de información cuántica que se procesa con computadoras digitales y manipuladas con algoritmos analizados matemáticamente para que los conceptos análogos puedan ser digitalizados y transmitidos.

  • La unidad de información cuántica  es el quibit. El quibit tiene un valor continuo a diferencia de los estados digitales clásicos, descriptible direcccionalmente en la esféra de Bloch. El qubit es la unidad más pequeña de la información cuántica. La razón de la indivisibilidad es por el principio de incertidumbre de Heisenberg ya que a pesar de tener un valor continuo, es imposible medir su valor con precisión.

En mecánica cuántica, la esfera de Bloch es una representación geométrica del estado puro en el espacio de un sistema mecánico-cuántico de dos niveles (el quibit), llamado así por el físico que lo ideó, Felix Bloch.

Esfera de Bloch:

Así que como vemos, han habido muchos avances y hay mucho que se sabe y mucho que se entiende y utiliza en física cuántica ya nada tiene que ver con espiritualidad ni filosofía.

Lo que falta es poder unificar las fuerzas en el Unified Fied Theory de Einstein. Y, necesitamos a otro Einstein para dar el siguiente salto “cuántico” para entender lo que sucede, ya que la teoría de cuerdas no ha tenido éxito en convencer al mundo científico acerca de lo que realmente sucede en el mundo cuántico, ya que las cuerdas son más matemáticas abstractas que una descripción del mundo real (claro que el mundo real cuántico es una serie de probabilidades matemáticas en sí).

Y por eso, algunos creen que si los físicos no se ponen de acuerdo, entonces esos mismos creen que cualquiera puede dar su propia interpretación como cierta aunque no haya estudiado y por ende no sepa ni entienda física y mucho menos la física cuántica, y, según ellos, su interpretación será tan correcta como la de los expertos. Lo cual es una gran falacia.

Por lo que cuando alguien te comience a hablar de física cuántica sin ser físico, y te quiera impresionar explicándote porque la caja de los cambios de tu carro se estropeó, responsabilizando a la física cuántica (o a la teoría del caos), o porque tus chakras están o no en unión sinérgica y espiritual con el universo para trascender y convertirte en energía pura, sólo pregúntale si alguna vez ha oído hablar de Planck, Heisenberg, Schrödinger, Feynman y de la QED o QIT, y que es lo que sabe acerca de ellos y de eso (o de si conoce los distintos tipos de transferencias de energía), y cuando de seguro ponga cara de “what”, ya sabes que hacer: ¡fuga! Ya que realmente no sabe de que está hablando y está inventando cosas.

En un articulo de liderazgo, el punto 5 dice textualmente:

5. Do you know the worst kind of arrogance? Arrogance from ignorance. It’s intolerable. If someone is smart and arrogant, we can tolerate that. But if someone is ignorant and arrogant, that’s just too much to take.

5. ¿Conoces la peor clase de arrogancia? Arrogancia de la ignorancia. Es intolerable. Si alguien es inteligente y arrogante, podemos tolerarlo. Pero si alguien es ignorante y arrogante, eso es demasiado para aguantar.

Fuente: http://www.success.com/article/rohn-7-personality-traits-of-a-great-leader

Claro que no todos los ignorantes son arrogantes, el punto es que la ignorancia (que solo significa no saber, no es un insulto), es algo que se puede corregir con el conocimiento, y la única manera de adquirir el conocimiento es a través del estudio.

El problema radica en el principio psicológico del argumento de la ignorancia, en el cual alguien sin conocimiento en algo, elige no estudiarlo ni entenderlo y prefiere ya sea inventar algo alterno fantástico pero sencillo, o creer algo ya inventado por otra(s) persona(s) igualmente fantástico y sencillo, y así esa persona pasa de una absoluta ignorancia acerca de ese algo, a una absoluta certidumbre porque elige creer ese algo alterno, porque le es más fácil creer algo por fantástico que sea que estudiarlo, discutirlo y comprenderlo.

Por ejemplo, alguien dice: no conozco o no entiendo la astronomía ni el movimiento planetario de Keppler, por lo tanto, mejor invento o creo en la astrología y en los horóscopos y la adivinación, siendo estos conceptos total y absolutamente falsos por razones astrofísicas, ya que la única estrella que ejerce una influencia sobre nosotros es el Sol con su gravedad y su radiación, las demás estrellas están demasiado lejos para tener algún efecto o ejercer alguna influencia de personalidad o suerte fortuita (ya sea buena o mala), además, de que como el Universo está en una rápida expansión, las estrellas que vemos ahora y que nuestros antepasados vieron hace miles de años cuando inventaron la astrología, ya no están ahí, lo que vemos es la luz  que nos llega de cuando estaban ahí hace mucho tiempo.

Para más información al respecto desde la afectación psicológica del fenómeno de la astrología y los horóscopos, que también aplica a otras creencias esotéricas y de adivinación, recomiendo investigar el efecto Forer, también llamado falacia de validación personal o el efecto Barnum:

https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Forer (para comenzar)

Básicamente las ciencias y las creencias se diferencian en que la ciencia requiere validación, pruebas y predicciones, mientras que la creencia requiere nada en absoluto más que creer ciegamente (argumento de la ignorancia).

A respecto, el mismo Feynman comentó:

“I would rather have questions that can´t be answered, than answers that can´t be questioned.”  “It doesn´t matter how beautiful your theory is. It doesn´t matter how smart you are. If it doesn´t agree with experiment, it´s wrong.”

“Preferiría tener preguntas que no puedan ser contestadas, que respuestas que no pueden ser cuestionadas”. “No importa cuán hermosa sea tu teoría, no importa lo inteligente que seas, si no está de acuerdo con el experimento, está mal”.

El libro Sun Tzu (El Arte de la Guerra), nos dice en una de sus primeras lecciones del maestro filósofo Yun: “la preparación precede a la victoria.” Y ¿qué le precede a la preparación? El conocimiento. Hay tres tipos de conocimiento: el tácito (tangible o empírico), el implícito (lo que uno lee y estudia),  y el explicito (lo que uno escucha).

Acerca de eso, el filósofo español Fernando Savater nos dice: “Es mejor saber después de haber pensado y discutido que aceptar los saberes que nadie discute para no tener que pensar.”

Y Arthur Conan Doyle (escritor y médico británico, creador de Sherlock Holmes), dijo acerca de conocer la verdad acerca de algo: “When you remove the impossible, whatever remains, no matter how improbable, must be the truth”.

“Cuando remueves lo imposible, lo que reste sin importar cuan improbable sea,  tiene que ser la verdad.”

Y, un sabio y legendario personaje de una de las más exitosas franquicias del cine, nos previene acerca de seguir o de hacer caso a las personas que se auto-aplican el argumento de la ignorancia, mediante las siguientes dos preguntas consecutivas:

“Who´s the more fooloish? The fool or the fool who follows him?” – Ben (Obi Wan) Kenobi, Star Wars, Episode IV.

“¿Quién es el más tonto? ¿El tonto o el que lo sigue?” 

Y tú, ¿a quién vas a seguir?

No que me hayan preguntado, pero a mi me gusta seguir a la ciencia para entender un poco más la verdad del Universo (no la verdad subjetiva sino la real*), por eso les comparto el siguiente enlace en el cual Stephen Colbert entrevista a Neil DeGrasse Tyson quienes hablan de ciencia y del porque es importante saber ciencia.

“La gente desconfía de la ciencia porque es compleja y cuesta trabajo entenderla” – Stephen Colbert, min. 17:57.

“Solo porque no entiendes algo (ciencia), no significa que es malo para ti, mejor averigua cómo funciona” – Neil DeGrasse Tyson, min. 19:02..

* Siempre hay 3 verdades (las primeras dos 2 subjetivas y la última la objetiva): la de los demás (incluyendo la colectiva y la tuya), la mía (propia de cada quien) y la Universal (la verdad, sin importar si la entendemos, sabemos y aceptemos o no). Al respecto, Carl Sagan nos habla de la suma importancia de la ciencia, no solo en el salón de clases sino en la política y el gobierno (y el peligro de la falta de ciencia en el mundo):

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