Primera edición (Breviarios de Ciencia Contemporánea), 1992
Segunda edición (La Ciencia para Todos), 2000
Segunda reimpresión, 2011
Primera edición electrónica, 2010
La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
D. R. © 1992, Fondo de Cultura Económica
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ISBN 978-607-16-0340-1
Hecho en México - Made in Mexico
La Ciencia para Todos
La colección La Ciencia desde México, del Fondo de Cultura Económica, llevó, a partir de su nacimiento en 1986, un ritmo siempre ascendente que superó las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible: nunca faltó material, y los científicos mexicanos desarrollaron una notable labor en un campo nuevo para ellos: escribir de modo que los temas más complejos e inaccesibles pudieran ser entendidos por los jóvenes estudiantes y los lectores sin formación científica.
Tras diez años de trabajo fructífero se ha pensado ahora dar un paso adelante, extender el enfoque de la colección a los creadores de la ciencia que se hace y piensa en lengua española.
Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, cruzando el océano, hasta la Península Ibérica, se encuentra en marcha un ejército compuesto de un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que desempeñan su labor en todos los campos de la ciencia moderna, una disciplina tan revolucionaria que ha cambiado en corto tiempo nuestra forma de pensar y observar todo lo que nos rodea.
Se trata ahora no sólo de extender el campo de acción de una colección, sino de pensar una ciencia en nuestro idioma que, imaginamos, tendrá siempre en cuenta al hombre, sin deshumanizarse.
Esta nueva colección tiene como fin principal poner el pensamiento científico en manos de los jóvenes que, siguiendo a Rubén Darío, aún hablan en español. A ellos tocará, al llegar su turno, crear una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.
Comité de Selección
Dr. Antonio Alonso
Dr. Francisco Bolívar Zapata
Dr. Javier Bracho
Dr. Gerardo Cabañas
Dr. Juan Ramón de la Fuente
Dr. Jorge Flores
Dr. Leopoldo García-Colín Scherer
Dr. Tomás Garza
Dr. Gonzalo Halffter
Dr. Jaime Martuscelli
Dr. Héctor Nava Jaimes
Dr. Manuel Peimbert
Dr. Julio Rubio Oca
Dr. José Sarukhán
Dr. Guillermo Soberón
Coordinadora
María del Carmen Farías
Si tuviera una amante misteriosa, oculta y apasionada
que se llamara Lulú, se lo dedicaría a ella.
Pero como hacen todos, sinceramente a mi familia:
Yolanda, Carolina, Marcos y Santiago
En este capítulo de introducción quisiera plantear algunas ideas sobre la necesidad de divulgar la teoría cuántica y a qué público dicha divulgación pretende alcanzar. Comenzaré con la segunda cuestión. Divulgación significa que en la transmisión de cierto conocimiento se debe poder alcanzar a todo público, sin restricción alguna. Es mi intención respetar ese significado con una única salvedad: a lo largo de estas páginas me dirijo a los “filo-sofos”, así escrito para hacer resaltar la etimología de la palabra: amantes del conocimiento. Éstos no son necesariamente filósofos, ya que para leer este libro no se requiere ningún conocimiento de filosofía. Tampoco se requiere ningún conocimiento de física más allá de los conceptos físicos dictados por el sentido común, y se hará un esfuerzo didáctico para evitar el lenguaje natural de la física que brinda la matemática. No le pido al lector ni física ni matemática ni filosofía, pero sí le pido una actitud abierta frente al conocimiento, una curiosidad, un llamado a penetrar en el fascinante mundo de la física cuántica, aunque esto signifique abandonar algunas ideas cuya validez nunca ha cuestionado. En síntesis, sólo pido amor al conocimiento.
En la elaboración de esta obra de divulgación se ha tenido en cuenta fundamentalmente al eventual lector sin conocimientos de mecánica cuántica. Sin embargo, los lectores con conocimientos, aun aquellos considerados expertos, no han sido olvidados y pueden también encontrar que su lectura les resulta enriquecedora, porque se tratan aquí algunos temas que son casi siempre ignorados en la enseñanza de la mecánica cuántica. Veremos más adelante que la mecánica cuántica posee un excelente formalismo, cuyas predicciones han sido verificadas experimentalmente con asombrosa precisión, pero carece de una interpretación satisfactoria; no sabemos qué significan exactamente todos los símbolos que aparecen en el formalismo. Esta situación, ilustrada sin exageración alguna por el premio Nobel R. Feynman al expresar que “nadie entiende la mecánica cuántica”, se refleja en el hecho de que los libros de texto, con raras excepciones, dejan de lado todos los aspectos conceptuales que hacen a la búsqueda de interpretación para esta teoría.
Volvamos ahora a la pregunta inicial. ¿Qué necesidad hay de divulgar la física cuántica? ¿Por qué considero importante que una parte significativa de la población tenga algún conocimiento de la física cuántica? La misma estudia sistemas físicos que están muy alejados de nuestra percepción sensorial. Esto significa que el comportamiento de tales sistemas no interviene, al menos directamente, en el quehacer diario del ser humano. Para justificar la ciencia básica y su divulgación se recurre a menudo a las consecuencias tecnológicas que aquella tiene. En el caso de la mecánica cuántica, la lista es imponente. La mecánica cuántica ha permitido el desarrollo de materiales semiconductores para la fabricación de componentes electrónicos cada vez más pequeños y eficaces, usados en radios, televisores, computadoras y otros innumerables aparatos. La mecánica cuántica ha permitido un mejor conocimiento del núcleo de los átomos abriendo el campo para sus múltiples aplicaciones en medicina y generación de energía eléctrica. La mecánica cuántica ha permitido conocer mejor el comportamiento de los átomos y moléculas, hecho de enorme importancia para la química. Las futuras aplicaciones de la superconductividad, fenómeno cuyo estudio es imposible sin la mecánica cuántica, sobrepasarán toda imaginación. Así podemos continuar alabando a esta ciencia básica por sus consecuencias tecnológicas y justificar su divulgación diciendo que el pueblo debe conocer a tan magnánimo benefactor. Pero, ¡cuidado! La radio y la televisión son excelentes medios, pero el contenido de sus emisiones no siempre honra al ser humano y a menudo lo insulta y estupidiza. Las computadoras son excelentes herramientas, pero ¿hacen al ser humano más libre? Sí, las centrales nucleares…, pero ¿y Chernobyl? La química…, ¿y Seveso? No es necesario mencionar la monstruosa estupidez de las armas químicas, nucleares y convencionales, para poner en duda si la tecnología generada por la ciencia ha sido una bendición para la humanidad. No es mi intención analizar aquí si la ciencia básica es o no es responsable de las consecuencias de la tecnología que generó. Baste con aclarar que la tecnología no es una buena justificación para la ciencia, porque los mismos argumentos que pretenden demostrar que la ciencia es “buena” pueden utilizarse para probar lo contrario. Considero que pretender justificar la ciencia básica es un falso problema desde que la ciencia no puede no-existir, pues surge de una curiosidad intrínseca al ser humano. Justificar algo significa exponer los motivos por los cuales se han tomado las decisiones para crear o generar lo que se está justificando. No se puede justificar la ciencia, porque ésta no surge de un acto volitivo en el que se decide crearla, sino que aparece como la manifestación social ineludible de una característica individual del ser humano. Es evidentemente cierto que la ciencia puede ser desarrollada con mayor o menor intensidad mediante la asignación de recursos a la educación e investigación, pero su creación o su destrucción requerirían la creación o destrucción de la curiosidad y del pensamiento mismo. El ser humano no tiene la libertad de no pensar, cosa necesaria para que la ciencia no exista. Por esto, los múltiples intentos autoritarios de oponerse a la ciencia cuando ésta contradecía al dogma han fracasado en su meta principal de aniquilar el conocimiento, aunque sí han producido graves daños frenando su desarrollo.
¿Por qué entonces divulgar la física cuántica? La mecánica cuántica es una de las grandes revoluciones intelectuales que no se limita a un mayor conocimiento de las leyes naturales. Un conocimiento básico de esta revolución debería formar parte del bagaje cultural de la población al igual que la psicología, la literatura o la economía política; y esto no solamente por razones de curiosidad o de cultura general, sino también porque este conocimiento puede tener repercusiones insospechadas en otros campos de la actividad intelectual. De hecho, un fenómeno fascinante de la historia de la cultura es que las revoluciones culturales y las líneas de pensamiento tienen sus paralelos en diferentes aspectos de la cultura. Existen similitudes estructurales entre las revoluciones artísticas, científicas y filosóficas. Por ejemplo, Richard Wagner libera la composición musical de los sistemas de referencia representados por las escalas, en la misma forma en que Einstein libera las leyes naturales de los sistemas de referencia espaciales, requiriendo que las mismas sean invariantes ante transformaciones de coordenadas. La teoría de campos cuánticos es una teoría filosóficamente materialista al establecer que las fuerzas e interacciones no son otra cosa que el intercambio de partículas. El estructuralismo de los antropólogos y lingüistas no es otra cosa que la teoría de grupos de los matemáticos, que también hizo furor en la física de los años sesenta y setenta. La música de Anton Webern podría ser llamada música cuántica. Si bien resulta improbable que haya una causalidad directa entre estas ideas y movimientos, es difícil creer que las similitudes se deban exclusivamente al azar. Cualquiera sea el motivo para estas correlaciones, el conocimiento de la revolución cuántica, que no ha concluido aún, puede revelar aspectos y estructuras ocultos en otros terrenos del quehacer cultural.
Una consecuencia interesante de divulgar la mecánica cuántica es la de conectar al ser humano con su historia presente. Quizás ignoramos las principales características del momento histórico que estamos viviendo porque se hallan veladas por las múltiples cuestiones cotidianas que llenan los espacios de los medios de difusión. Cuando hoy pensamos en la Edad Media, se nos presentan como elementos característicos las catedrales góticas, las cruzadas y muchos otros hechos distintivos. El Renacimiento nos recuerda el colorido de la pintura italiana de la época. La historia barroca está signada por las fugas de Bach. Sin embargo, el hombre que vivió en tales periodos históricos no era consciente de la pintura del Renacimiento ni de la música barroca, ya que probablemente estaba preocupado por la cosecha de ese año o por el peligro de conflicto entre el príncipe de su condado y el príncipe vecino, o por los bandidos que acechaban en el bosque. Nadie sabe con certeza cuáles serán las características determinantes de nuestra época. Sin duda, no lo serán las noticias que aparecen todos los días en las primeras páginas de los diarios. Pero podemos afirmar que la ciencia será una de ellas y, entre las ciencias, la mecánica cuántica jugará un papel importante, ya que sobran los datos que indican que una nueva revolución cuántica se está perfilando. Esta divulgación pretende, entonces, conectar al hombre contemporáneo con algo que el futuro señalará como un evento característico de nuestra historia.
Quizá la motivación más importante para divulgar la teoría cuántica es el placer estético que brinda el conocimiento en sí, sin justificativos. Esa necesidad que tiene el ser humano de aprender y comprender. Esa curiosidad científica que está en la base de todo conocimiento. El amor al conocimiento es, sin duda, la motivación fundamental.
La meta principal que se quiere alcanzar con este libro es la divulgación de la mecánica cuántica. Sin embargo, en ella participan conceptos que han sido heredados de la mecánica clásica y, aunque ambas se contradicen en lo esencial, comparten muchas estructuras matemáticas y conceptos. Es por esto que el lector encontrará aquí numerosas ideas y conceptos que se originan en la física clásica pero que serán necesarios para una presentación comprensible de la mecánica cuántica. Valga la aclaración para que el lector no se desilusione si no encuentra en las primeras páginas a los electrones, átomos y demás sistemas esencialmente cuánticos.
Existen numerosos libros de divulgación de la física cuántica de muy variada calidad. Éste pretende diferenciarse de todos ellos por no asumir un enfoque histórico del tema, presentando en forma comprensible los conceptos actuales, sin invocar los tortuosos caminos que han llevado al conocimiento que hoy tenemos del fenómeno cuántico. Tal enfoque es ventajoso porque, contrariamente a lo que sucede con la teoría de la relatividad de Einstein, la historia de la mecánica cuántica no ha concluido aún. A lo largo de su desarrollo, la física cuántica ha penetrado en varios callejones sin salida y en caminos pantanosos sin meta cierta que le han dejado numerosos conceptos poco claros (en el mejor de los casos). La no existencia de una interpretación universalmente aceptada, a pesar de los formidables logros de su formalismo, indica que la física cuántica está aún en ebullición. La decisión de hacer un enfoque conceptual y no histórico permite excluir largos discursos sobre ondas y partículas, radiación del cuerpo negro, átomo de Bohr, funciones de ondas, difracción de materia y otros temas comunes a todos los libros de divulgación con enfoque histórico, y, en cierta forma, se puede considerar a éste como complementario (en el buen sentido de la palabra) de aquéllos.
Nuestro plan es el siguiente: en el próximo capítulo se definirá el sistema físico, motivo de estudio de toda teoría física, y se verá la estructura general de las mismas: formalismo e interpretación.
El comportamiento de los sistemas cuánticos es difícil de comprender si pretendemos hacerlo basándonos en nuestra intuición. Ante la confrontación entre la mecánica cuántica y la intuición se presentan dos alternativas: abandonamos la teoría cuántica o educamos y modificamos nuestra intuición. Evidentemente elegimos la segunda. Por este motivo, después de haber presentado los observables básicos de los sistemas físicos y de clasificar a éstos, se pondrá énfasis en preparar al lector, en el tercer capítulo, para que pueda poner en duda la acostumbrada infalibilidad de la intuición. Lograda esta meta, podrá apreciar la belleza escondida en el comportamiento de los sistemas cuánticos y gozará del vértigo que producen las osadas ideas que aparecen en la teoría cuántica.
Un premio Nobel en física expresó en una oportunidad estar viviendo una época fascinante en la historia de la cultura porque un cuestionamiento filosófico básico podría ser resuelto en un laboratorio de física. Otro físico acuñó la denominación de “filosofía experimental” para referirse a tales experimentos. Posiblemente dichas afirmaciones sean algo exageradas, pero es innegable que el debate de la mecánica cuántica y ciertos debates filosóficos se han fundido esta vez en el terreno de la física y no, como antes, en el de la filosofía. Por este motivo se presentan en el capítulo IV los conceptos filosóficos relevantes para la teoría cuántica.
El lector que no haya perdido la paciencia encontrará en el quinto capítulo las características esenciales de la teoría cuántica. En el sexto, la misma será aplicada en la descripción de algunos sistemas cuánticos simples, donde se podrán apreciar sus virtudes y el éxito con que esta misteriosa teoría describe la realidad.
Desafortunadamente, tendrá el lector en el capítulo séptimo motivos para ver empañada la admiración por la teoría al constatar algunas de las graves dificultades que la aquejan debido a la ausencia de una interpretación de la mecánica cuántica. De uno de los argumentos relacionados con los fundamentos de la física cuántica más importantes del siglo, el argumento de Einstein, Podolsky y Rosen, surgen varias alternativas de interpretación que serán estudiadas en el capítulo octavo. Finalmente algunas expectativas para el futuro del debate cuántico se presentan en el capítulo IX.
Concluyo esta primera parte, que no quise llamar “introducción” ni mucho menos “prólogo” para evitar que sea salteado, aclarando que los términos física cuántica, teoría cuántica y mecánica cuántica pueden ser considerados sinónimos y, aunque prefiero el primero, el tercero es el más usual y será por ello el más frecuente. Finalmente, deseo agradecer a Olga Dragún y Jorge Testoni, quienes me sugirieron emprender esta obra, y a Gabriela Tenner, que depuró y mejoró el texto original. La frase usual referente a la responsabilidad por errores y omisiones es también válida aquí.