Dando sentido a la revolución cuántica
Comprar libro - Helgoland de Carlo Rovelli
¿Cuál es la trama de la novela de Helgoland?
Un estudio soñador y lírico de la física cuántica, Helgoland (2021) se desarrolla en el año 2021. El extraño universo subatómico descrito en este pequeño libro es uno en el que nada puede ser completamente definitivo.
¿Quién es el que lee la novela de Helgoland?
- Físicos interesados en la historia de la ciencia pero no son profesionales
- Aspirantes a psiconautas que quieren aprender más sobre el extraño mundo de los átomos
- Cualquiera que esté interesado en observar surrealista sobre la realidad
¿Quién es Carlo Rovelli y cuál es su antecedentes?
El físico Carlo Rovelli es el jefe del Grupo de Investigación de Gravedad cuántica en el Centro de Physique Théorique en Marsella, Francia, donde trabaja como físico teórico. Muchas de sus obras, como siete lecciones breves sobre física, la realidad no es lo que parece, y el orden del tiempo, han sido los más vendidos en sus respectivos campos de física.
¿Qué hay exactamente para mí? Una mirada a los desarrollos más recientes en física cuántica.
Werner Heisenberg no pudo dejar de estornudar en el verano de 1925, que resultó ser la temporada de alergias. El científico de 23 años huyó a Helgoland, una pequeña isla rocosa en el Mar del Norte, para aliviar los síntomas de la fiebre del heno. Comienza a reflexionar con cuidado sobre los átomos mientras está aquí, finalmente capaz de respirar profundamente. Sus descubrimientos tendrán un profundo impacto en la física y nuestra comprensión de la realidad. Basado en la excelente narración del físico Carlo Rovelli, estas notas cuentan la intrigante historia de cómo los científicos descubrieron y descubrieron la mecánica cuántica. A medida que avanza el libro, aprenderá lo que las ideas de Heisenberg nos dicen sobre el mundo extraño y paradójico de las partículas subatómicas, y verá cómo sus descubrimientos descubrieron problemas que continúan confundiendo a los científicos hoy. Descubra cómo la fiebre del heno ayudó a los científicos a descubrir la física cuántica, cuando una cosa no es realmente un objeto, y por qué no se requieren multiversos en estos conjuntos de notas.
Heisenberg fue el catalizador del nacimiento de un área de investigación nueva y complicada conocida como física cuántica.
Ser un científico joven y ambicioso a principios del siglo XX fue un momento emocionante para estar vivo. El físico danés Niels Bohr ha descubierto un fenómeno extraño que ha desconcertado a los científicos durante décadas. Él ha descubierto que cuando se calienta, los átomos producen luz a frecuencias particulares que son exclusivas de ellos. Estos patrones indican que los electrones, las pequeñas partículas subatómicas que azotan el núcleo de un átomo, solo orbitan a ciertas distancias del núcleo del átomo. Heisenberg está perplejo sobre por qué está sucediendo esto. ¿Por qué los electrones deben restringirse a ciertas configuraciones orbitales? ¿Y por qué deberían saltar entre órbitas de maneras particulares medibles si no están obligados? Esencialmente, quiere comprender mejor la física de los saltos cuánticos. La lección más importante para quitar de esto es: Heisenberg fue el catalizador del nacimiento de un área de investigación nueva y complicada conocida como física cuántica.
Este era un dilema ya que los científicos en ese momento no podían comprender las órbitas de los electrones o los saltos cuánticos que ocurrieron entre estas órbitas. Se utilizan números discretos para explicar el movimiento de partículas en la física clásica. Estos números se usaron para representar variables como la ubicación, la velocidad y la energía. Sin embargo, resultó imposible establecer estos factores en el caso de los electrones. Los científicos solo podían ver los cambios en estas variables cuando los electrones saltaban entre órbitas y, por lo tanto, limitaron sus observaciones. En aras de evitar este enigma, Heisenberg se concentró en lo que se podía ver, a saber, la frecuencia y la amplitud de la luz emitida durante estos saltos cuánticos. Reescribió los principios físicos clásicos y reemplazó a cada variable individual con una tabla o matriz que representaba todos los cambios potenciales que podrían tener lugar en el mundo. Sin embargo, aunque la aritmética fue muy compleja, el resultado fue exactamente lo que Bohr había visto.
El otro científico, Erwin Schrödinger, adoptó un enfoque que era un poco diferente de los demás. Era su creencia que los electrones no eran solo una colección de partículas que orbitaban un núcleo, sino que eran ondas electromagnéticas que viajaban a su alrededor. También pudo igualar con precisión los hallazgos de Bohr utilizando las matemáticas más directas de las ecuaciones de olas. Hubo, sin embargo, un enganche. Las ondas son difusas, pero cuando los electrones son detectados por un detector, son puntos claramente definidos, o partículas, en oposición a las ondas.
¿Cómo podemos conciliar estos modelos aparentemente contradictorios que, a pesar de su aparente incompatibilidad, proporcionan los mismos resultados? Max Born, un tercer pensador, pudo proporcionar una solución. Afirmó que los cálculos de onda de Schrödinger ofrecieron una mejor explicación de los resultados de las mediciones de electrones que los cálculos de matriz de Heisenberg, que acaban de proporcionar la posibilidad de hacer tales observaciones. Parecía que, en esta nueva física cuántica, los electrones vivían de alguna manera como olas hasta que un observador externo los vio. Luego se detienen en un solo lugar. Esto dio como resultado una nueva pregunta desconcertante: ¿por qué sucedió esto?
Como resultado de su existencia, las superposiciones plantean problemas desafiantes con respecto a la naturaleza de la realidad.
Hay un famoso experimento mental que explica el reino desconcertante de la física cuántica de una manera directa. Cuenta con un gato en una caja con un dispositivo extraño conectado. Tras la activación, emite un fuerte sedante que ayuda a dormir a la criatura. Supongamos que el dispositivo solo se activa cuando ocurre un cierto evento cuántico, como la desintegración de un átomo. Además, supongamos que las ecuaciones de Schrödinger predicen que este evento ocurrirá en cualquier momento dado con una oportunidad única. Como resultado, no sabremos si el evento ha sucedido o no hasta que abramos la caja. El gato parece estar durmiendo y alerta al mismo tiempo.
Esto se conoce como una superposición cuántica, y sucede cuando dos características conflictivas están presentes simultáneamente en el mismo espacio físico. Debido a que es una noción famosa y difícil de entender, tardó décadas en que los físicos y los filósofos produjeran una explicación satisfactoria de cómo funciona. La lección más importante para quitar de esto es: como resultado de su existencia, las superposiciones plantean problemas desafiantes con respecto a la naturaleza de la realidad. Se conoce como el gato de Schrödinger, y sirve para resaltar uno de los misterios más fundamentales de la física cuántica. A pesar del hecho de que las superposiciones parecen ser imposibles, los científicos han demostrado que existen. Por ejemplo, ¡un solo fotón de luz puede parecer que ha viajado a lo largo de dos vías completamente diferentes! Hay una variedad de teorías competitivas sobre esta extraña realidad, que a menudo se conocen como interpretaciones.
La idea de múltiples universos es una posible explicación. En este modelo, el concepto de que el gato está durmiendo y despierto se lleva a su conclusión lógica. Como resultado, dado que la posibilidad de que ocurra el desencadenante es uno de cada dos, ambos eventos ocurren, aunque en plazos separados, como se muestra arriba. Usted, como observador, también vive en cada uno de estos otros plazos. De hecho, dado que hay un número ilimitado de ocurrencias cuánticas, hay un número infinito de líneas de tiempo o universos a considerar como resultado.
La hipótesis de las variables ocultas, que es una interpretación rival, evita la existencia de universos interminables al distinguir la onda de Schrödinger de la partícula cuántica en sí. Según esta teoría, la probabilidad indicada por Schrödinger existe de manera genuina que aún no comprendemos, a pesar del hecho de que el mundo físico visible solo toma una forma. Como resultado, incluso si solo observamos a un gato despierto, la posibilidad de un gato dormido existe en nuestra realidad.
Sin embargo, hay una tercera interpretación, conocida como bayesianismo cuántico o Qbism, que es completamente diferente. Según esta teoría, las superposiciones y las probabilidades de Schrödinger no son más que información, y esa información solo es parcialmente completa. Cuando los observadores abren la caja y ven el gato, obtienen más conocimiento de la situación. De esta manera, el observador crea una pieza de realidad por pieza observando el mundo que lo rodea. Sin embargo, esto plantea la cuestión de quién es el observador en primer lugar.
La interpretación relacional representa un universo en el que todo siempre está cambiando.
Según la comprensión del laico de la física cuántica, las superposiciones cuánticas persisten hasta que un observador interviene y determina lo que realmente está sucediendo. Como resultado, un electrón pasa en una nube indefinida de probabilidad hasta que un científico venga con un detector de electrones y, mediante observación, determina dónde se encuentra realmente el electrón. Pero, ¿qué tiene un científico que lo hace tan único? ¿Hay algo en ella que le confiera la posición de un observador con derechos especiales? Su bata de laboratorio, su sofisticado equipo tecnológico, o su presencia como una criatura sensible con la capacidad de ver, pensar y ser conscientes son todos los factores en su éxito. La verdad es que ninguna de estas cosas existe. Observación, bajo la interpretación relacional de la teoría cuántica, no incluye ver en el significado convencional de la palabra. En realidad, todo tipo de interacción puede considerarse una observación.
La lección más importante aquí es que la interpretación relacional representa un mundo en el que todo siempre está cambiando. Es un poco inapropiado referirse a la teoría cuántica como "observación" cuando se trata de ella. Se hace una distinción entre el mundo natural de la física y un tema en particular, a menudo un humano, que observa este mundo desde una posición fuera de él. La interpretación relacional de la física cuántica, por otro lado, elimina esta diferencia. Según este concepto, cada entidad del universo es tanto un observador como un observador, y se observa y se observa.
El cosmos está lleno de una increíble variedad de objetos, que van desde fotones o partículas de luz, y arco iris hasta gatos, relojes y galaxias, entre muchas otras cosas. Ninguna de estas entidades, que a menudo se conocen como sistemas físicos, puede existir en el vacío. Están constantemente interactuando entre sí. Y, en realidad, son las variadas interacciones entre los sistemas físicos las que determinan sus características. Si algo no tiene ninguna interacción con otras cosas, no existe en ningún sentido significativo.
De esta manera, todas las características físicas, que a menudo se denominan información, están vinculadas. Es decir, siempre están en flujo, apareciendo y desapareciendo dependiendo de la situación. Esto es algo que ya sabemos que es cierto de ciertas maneras. Una calidad como la velocidad solo se puede descubrir examinando la relación entre dos cosas. Cuando camina sobre un bote, su velocidad varía dependiendo de si lo está midiendo con referencia a la cubierta del bote o a la superficie del océano.
Imaginar el mundo como una red infinita de relaciones que crean atributos puede no parecer revolucionario, pero realmente lo es. Volvamos a la historia del gato de Schrödinger. Mientras que dentro de la caja, el gato está durmiendo o despierto dependiendo de su proximidad al gatillo, sin embargo, desde el exterior, el gato no parece ser ninguno de los dos. Ambas declaraciones son correctas, ya que varias relaciones dan como resultado realidades distintas, como se indicó anteriormente. Lo que importa es cualquier evento relacional o marco de referencia que se esté examinando en el momento en cuestión.
El modelo relacional simplifica el proceso de enredo cuántico y elimina su mística.
Considere dos fotones que están en una superposición cuántica donde son rojos y azules al mismo tiempo. No podemos determinar la condición definitiva de ninguno de los dos hasta que hagamos una observación, así como no podemos identificar el estado definitivo del gato de Schrödinger a menos que hagamos una observación. Sin embargo, dado que cada fotón tiene dos resultados posibles, cada color tiene una probabilidad del 50 por ciento de aparecer cuando se ve. Envíe uno de estos fotones a Viena y el otro a Beijing, y vea cómo va. Si echamos un vistazo al fotón de Viena, veremos que aparecerá rojo o azul. Fingir que es el color rojo por el bien de este ejemplo. Ahora, cuando vemos el fotón de Beijing, debería ser aproximadamente la mitad de la duración del fotón de Viena que se observa.
Sin embargo, aquí es cuando las cosas comienzan a ponerse raras. Si el fotón de Viena es rojo, el fotón de Beijing siempre estará rojo también, independientemente de las circunstancias. El enredo cuántico es el nombre dado a esta conexión aparentemente mágica. La lección más importante para quitar de esto es: el modelo relacional simplifica el proceso de enredo cuántico y elimina su mística. El enredo cuántico es uno de los acontecimientos más inusuales que ha ocurrido en el campo de la física. Aunque dos fotones se enredan, sus características se correlacionan o coinciden, incluso cuando están separados por una gran distancia. Por supuesto, un par de guantes rojos también están asociados con el espacio, incluso si están separados por una gran distancia, conservan el mismo color. Sin embargo, hasta que se vean, un par de fotones en una superposición azul roja no es rojo ni azul. Entonces, ¿cómo se puede competir contra otro?
Después de todo, el primer fotón puede comunicarse con el segundo de alguna manera. A pesar de esto, se ha detectado enredos a través de largas distancias, a pesar del hecho de que la señal tendría que viajar más rápido que la velocidad de la luz. Alternativamente, la pareja puede conformarse con un tono antes de separarse. Además, un conjunto complicado de ecuaciones conocidas como desigualdades de campana también descarta esta teoría. Entonces, ¿qué está pasando exactamente en esta situación? El modelo relacional puede proporcionar alguna orientación.
Tenga en cuenta que bajo este paradigma, los atributos solo se pueden encontrar a través de interacciones. El hecho de que ninguna entidad pueda ver los fotones de Viena y Beijing al mismo tiempo implica que ninguna de ellas tiene características reales en relación con la otra. El tono rojo del fotón de Viena solo es visible en relación con los espectadores en Viena, y no en cualquier otro lugar. El fotón en Beijing, y de hecho todo en Beijing, permanece en una superposición cuántica a los ojos de los vienos, como resultado. Cualquier comparación es inútil a menos y hasta que ambas partes se vean.
No obstante, estos sucesos aparentemente dispares pueden estar vinculados juntos. Un científico en Viena puede comunicarse con un colega en Beijing por teléfono. Esta interacción, u observación, proporciona información sobre el tono rojo del fotón de Viena, que hace que el fotón enredado parezca rojo como resultado. Como resultado, no hay una conexión mística a través del tiempo y el espacio, sino una red de relaciones que vincula estas ocurrencias y proporcionarles sus propias características.
La filosofía y la ciencia están inextricablemente vinculadas en sus respectivos campos de estudio.
Ernst Mach es quizás el pensador más importante que nunca ha sido ampliamente publicitado. En sus roles como científico y filósofo, su capacidad para generar ideas inesperadas y un pensamiento desafiante le valió a los fanáticos y críticos en una amplia gama de disciplinas. El trabajo de Mach fue criticado mordazmente por el revolucionario ruso Vladimir Lenin en sus escritos. Alexander Bogdanov, otro revolucionario, se defendió con la venganza. Varios aspectos de los pensamientos de Mach se integraron en el libro épico, The Man sin cualidades, por el reconocido escritor, Robert Musil. Además, tanto Einstein como Heisenberg reconocen que las teorías de Mach han tenido un impacto significativo en sus propios descubrimientos. Entonces, ¿cuáles fueron las ideas revolucionarias que Mach defendió que causaron tal alboroto en los reinos de la política, las artes y la física? Como resultado, propuso que el universo está formado por sensaciones, que tiene una extraña resonancia con la teoría cuántica relacional.
La lección más importante aquí es que la filosofía y la ciencia están inextricablemente vinculadas entre sí. A lo largo de los siglos XVIII y XIX, una suposición filosófica conocida como mecanismo controlaba la mayor parte de la comunidad científica. En su nivel más fundamental, el mecanismo afirmaba que la realidad funcionaba de manera similar a un reloj. El cosmos era un enorme contenedor vacío conocido como espacio, y todos los fenómenos estaban formados por materia que interactuaba rigurosamente entre sí en este contenedor. Según Ernst, este paradigma fue útil, pero tenía sus limitaciones. Él creía que el concepto de mecanismos era demasiado metafísico o etéreo. A diferencia de esto, creía que la ciencia debería concentrarse en lo que se puede ver, a saber, los sentimientos que surgen cuando los componentes interactúan. Si esto suena familiar, es porque Heisenberg estaba motivado por este mismo concepto para estudiar los comportamientos de los electrones, lo que finalmente condujo al descubrimiento de la teoría cuántica.
Las ideas de Mach, por otro lado, tienen una aplicación mucho más amplia. Las cosas físicas, según su visión de la realidad, no son componentes autónomos que interactúan mecánicamente, sino que son el resultado de estas interacciones, que crean el mundo. Y los observadores no se consideran distintos del sistema en su conjunto. Ellos también solo tienen una comprensión sensorial del universo obtenida a través de encuentros. Una vez más, esta idea parece ser un presagio de la interpretación relacional de la física cuántica, según la cual las características no existen de forma aislada de su entorno.
Afirmar que Mach tenía un conocimiento precognitivo de la física cuántica no es implicar eso. La observación de Mach, por otro lado, demuestra la importante interacción entre la ciencia y la filosofía. Es posible que Heisenberg no haya hecho sus hallazgos seminales si no hubiera ignorado a Mach y se haya pegado a las ideas del mecanismo con una adhesión tan estricta. En una línea similar, los filósofos modernos pueden comprometerse con los entendimientos científicos más recientes para agudizar y mejorar sus propios puntos de vista sobre la realidad y el universo. Entonces, ¿cómo se desarrolla todo esto cuando se aplica a un tema difícil como el pensamiento consciente? Eso se discutirá con más detalle en la siguiente sección.
Examinar las relaciones y las correlaciones puede proporcionar información sobre el funcionamiento de la mente.
Simplemente navegar por Internet durante unos minutos revelará una gran cantidad de aplicaciones innovadoras de ideas cuánticas (o, más adecuadamente, aplicaciones indebidas) en una variedad de campos. Gurus Laud Espiritualismo cuántico, los médicos de estafa promueven la terapia cuántica y los empresarios tecnológicos glorifican todo tipo de tonterías cuánticas, entre otras cosas. Parece que la rareza intrínseca de la física cuántica tiene una forma de encender la imaginación de aquellos que están interesados en ella. ¿Puede la teoría cuántica, por otro lado, proporcionar luz sobre los temas fundamentales de la vida? ¿Es capaz de explicar el amor, dilucidar los orígenes de la belleza y la verdad, o proporcionar una explicación significativa de la existencia? No, en absoluto. Sin embargo, aplicar las ideas de la teoría cuántica relacional a un tema como la naturaleza de la conciencia puede abrir nuevas vías de estudio y investigación sobre el fenómeno.
La lección más importante para quitar de esto es: examinar las relaciones y las correlaciones pueden proporcionar información sobre el funcionamiento de la mente. La filosofía de la mente, en general, proporciona tres modelos principales para la mente humana. Hay dualismo, que sostiene que la mente existe como una entidad distinta, casi espiritual, del cuerpo y el resto del universo. Por un lado, existe el idealismo, que sostiene que la mente incluye y explica todo lo que existe. Por otro lado, hay materialismo ingenuo, que sostiene que las experiencias mentales son solo el resultado de procesos físicos básicos.
La teoría cuántica relacional puede proporcionar una perspectiva algo diferente sobre la mente que la teoría cuántica tradicional. Es importante considerar el significado de la frase para comprenderla. La importancia del significado en la cognición humana no puede ser exagerada. Cuando vemos signos, leemos palabras o pensamos en ideas, sabemos que significan algo porque se relacionan o indican con algo externo para nosotros en el universo físico. Según el filósofo alemán Franz Brentano, la intencionalidad es el proceso a través del cual interactuamos entre nosotros y encontramos nuestro camino a través de la realidad.
Sin embargo, ¿cómo llega a ser la intencionalidad? Una forma de abordar esta pregunta es analizar los hechos pertinentes relacionados. La información relativa es una correlación que ocurre cuando dos sistemas se comunican entre sí. Una roca que cae es un ejemplo de información relativa, que se crea cuando un elemento externo, la roca, se correlaciona con un estado interno, la determinación de su cerebro del descenso de la roca. Cuando este conocimiento se vuelve importante, es porque influye en la respuesta de su cuerpo, que es salir del camino de lo que esté sucediendo.
En esta situación, la intencionalidad es producida por la información creada por las relaciones entre el exterior y el interior: la vista de una caída de roca señala peligro, y usted actúa para evitarla como resultado de esta información. Los procesos físicos que tienen lugar en diferentes sistemas se describen, por supuesto, solo se describen brevemente en esta descripción. El hecho de que tenías que esquivar una roca no te dice nada sobre tu experiencia particular. Es más difícil explicar cómo surge una experiencia tan subjetiva. Esto se conoce como el "problema difícil" de la conciencia, y sigue siendo una fuente de controversia.
Estudiar física cuántica puede abrir nuestros ojos a nuevas perspectivas en el universo.
¿Qué ves cuando miras a un gato? ¿Qué es lo que ves? La percepción, de acuerdo con el concepto convencional de la vista, se ocupa principalmente de la adquisición de información. Usando la forma del gato, el cabello y los bigotes, los fotones se reflejan y entran en tus ojos. Sus retinas convierten la luz en una señal, que luego se envía a su cerebro. Finalmente, sus neuronas traducen la información en una imagen de un gato adorable, que es lo que ves. Sin embargo, esto no es del todo cierto. En realidad, su cerebro hace predicciones sobre lo que sus ojos deberían ver. Los ojos continúan recolectando luz, pero solo transmiten señales que están en conflicto con la imagen anterior. Son estas disparidades entre lo que anticipamos y lo que vemos que nos proporcionan el conocimiento crítico que necesitamos para dar sentido al mundo externo. La lección más importante para quitar de esto es: estudiar la física cuántica puede abrir nuestros ojos a nuevas perspectivas en el universo.
Utilizando una noción conocida como el modelo de conciencia proyectiva, podemos proporcionar una segunda explicación de la vista en la que el cerebro juega un papel principal. El cerebro, según este punto de vista, genera conciencia al mejorar continuamente sus creencias preconcebidas y sus representaciones mentales en respuesta a la información recopilada por nuestros sentidos. Esto significa que nuestra percepción de la realidad es una "alucinación confirmada" que se actualiza y evoluciona continuamente. En algunos aspectos, la ciencia y la filosofía se basan en las mismas ideas. La humanidad desarrolla una sola imagen de cómo funciona el mundo, y luego, a través de la experiencia y la experimentación, descubrimos todas las formas en que la realidad difiere y contradice esta idea de cómo funciona el mundo. Por supuesto, mientras nuestros cerebros completan este proceso en una fracción de segundo, la ciencia lo completa en un período de tiempo considerablemente más largo. Se necesita una comunidad para probar y desarrollar nuevas ideas, y se necesitan décadas para completar el proceso.
Nuestras teorías de la física cuántica, que incluyen la interpretación relacional, son solo la manifestación más reciente de este proceso continuo de desarrollo. Actualmente, nos proporcionan la representación más precisa de la realidad basada en lo que podemos ver, mapear y medir en el presente. Sin embargo, es una imagen bastante extraña de ver en cualquier caso. La física cuántica relacional representa un universo en el que los objetos que son estáticos y estables no existen. A diferencia de las cosas discretas que interactúan en el espacio, la realidad se compone completamente de una red de interacciones en la que los eventos convergen y se disipan en una espuma sin fin. Nosotros también nos quedamos atrapados en el remolino de las relaciones interpersonales. Es posible que este aluvión constante de conexiones sea responsable de nuestra identidad o subjetividad. Ver el mundo de esta manera puede parecer extraño, incluso alucinógeno, pero por el momento, esta alucinación ha sido verificada, y debemos esperar y ver a dónde nos lleva a continuación.
La conclusión de la novela Helgoland.
Estas notas transmiten el siguiente mensaje principal: a principios del siglo XX, un cuadro de jóvenes científicos, especialmente un Werner Heisenberg propenso a la alergia, comenzó a deconstruir la comprensión convencional de la física. Su paradigma del universo cuántico, que se caracteriza por la incertidumbre y la probabilidad, reemplazó el modelo mundial determinista y mecánico anterior. Según la interpretación relacional de la física cuántica, la realidad cuántica se compone de una red de conexiones inestables: lo que es real y verdadero puede cambiar según las relaciones.
Comprar libro - Helgoland de Carlo Rovelli
Escrito por BrookPad Equipo basado en Helgoland por Carlo Rovelli