27 La interpretación de Copenhague

Las ecuaciones de la mecánica cuántica dieron a los científicos las respuestas adecuadas, pero ¿cuál era su significado? El físico danés Niels Bohr desarrolló la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, uniendo la ecuación de ondas de Schrödinger y el principio de incertidumbre de Heisenberg. Bohr argumentaba que un experimento aislado es algo que no existe, que las intervenciones del observador determinan los resultados de los experimentos cuánticos. Al hacerlo, puso en tela de juicio la propia objetividad de la ciencia.

En 1927, abundaban los puntos de vista opuestos sobre la mecánica cuántica. Erwin Schrödinger argumentaba que la física ondulatoria subyacía al comportamiento cuántico, el cual podía describirse mediante ecuaciones de ondas. Por su parte, Werner Heisenberg creía que la naturaleza de partícula de las ondas electromagnéticas y la materia, descrita en su representación matricial tabular, era de capital importancia para comprender la naturaleza. Heisenberg también había demostrado que nuestro conocimiento estaba fundamentalmente limitado por su principio de incertidumbre. Creía que tanto el pasado como el futuro eran imposibles de conocer hasta que fueran fijados por la observación, debido a la incertidumbre intrínseca de todos los parámetros que describían el movimiento de una partícula subatómica.

Otro hombre trató de reunir todos los experimentos y teorías para componer un nuevo panorama que pudiera explicar el conjunto. Fue Niels Bohr, el director del departamento de Heisenberg en la Universidad de Copenhague y el científico que había explicado los estados energéticos cuánticos de los electrones en el átomo de hidrógeno. Bohr, junto con Heisenberg, Max Born y otros desarrolló una concepción holística de la mecánica cuántica que se ha dado en llamar la interpretación de Copenhague. Continúa siendo la interpretación favorita de la mayoría de los físicos, aunque se han sugerido algunas variaciones.

Dos caras Niels Bohr propuso una aproximación filosófica para sostener la nueva ciencia. En concreto, puso de relieve el impacto que los propios observadores tienen sobre los resultados de los experimentos cuánticos. En primer lugar, aceptaba la idea de «complementariedad», de que las vertientes de onda y partícula de la materia y de la luz eran dos caras del mismo fenómeno subyacente y no dos familias separadas de acontecimientos. Igual que las imágenes de un test psicológico pueden cambiar de apariencia dependiendo de cómo las miremos —dos líneas onduladas simétricas pueden parecer la silueta de un jarrón o dos caras mirándose una a otra—, las propiedades de onda y partícula eran formas complementarias de observar un mismo fenómeno. No era la luz la que cambiaba de carácter, sino más bien la forma en que decidíamos mirarla.

Para salvar el abismo entre sistemas cuánticos y normales, incluyendo nuestra propia experiencia a escala humana, Bohr introdujo también el «principio de correspondencia», según el cual el comportamiento cuántico debe desaparecer de los sistemas más grandes con los que estamos familiarizados, cuando la física newtoniana es adecuada.

Imposible de conocer Bohr se dio cuenta de la importancia capital del principio de incertidumbre, que afirma que no podemos medir al mismo tiempo la posición y el momento (o velocidad) de una partícula subatómica en un instante determinado. Si una de las cantidades se mide con exactitud, entonces la otra es intrínsecamente incierta. Heisenberg creyó que la incertidumbre procedía de la mecánica del propio acto de la medición. Para medir alguna cosa, incluso para observarla, primero debemos reflejar unos cuantos fotones de luz. Como esto siempre implica la transferencia de un cierto momento o energía, este acto de observación alteraba el movimiento original de la partícula.

Por otra parte, Bohr pensaba que la explicación de Heisenberg fallaba. Sostenía que nunca podemos separar por completo al observador del sistema que él o ella quieren medir. Era el propio acto de la observación el que determinaba el comportamiento final del sistema, a través del comportamiento probabilístico onda-partícula de la física cuántica, y no debido sólo a la transferencia de energía. Bohr creía que el comportamiento de un sistema completo tenía que ser considerado como una unidad; no se podía separar la partícula, ni el radar, ni siquiera al observador. Aunque miráramos una manzana, era necesario considerar las propiedades cuánticas del sistema en su conjunto, incluyendo el sistema visual de nuestro cerebro que procesa los fotones de la manzana.

Bohr también aducía que el término «observador» es erróneo porque conjura la imagen de un testigo externo separado del mundo que se observa. Un fotógrafo como Ansel Adams puede capturar la belleza natural del Parque Nacional de Yosemite, pero ¿realmente no ha sido tocado por el hombre? ¿Cómo puede ser si el propio fotógrafo está allí también? La imagen real es la de un hombre plantado en medio de aquel paraje natural, y no separado de él. Para Bohr, el observador constituía una importante parte del experimento.

Este concepto de la participación del observador resultaba sorprendente para los físicos porque cuestionaba la propia forma en que la ciencia siempre se había desarrollado y el concepto fundamental de la objetividad científica. Los filósofos también se resistían. La naturaleza ya no era mecánica y predecible, sino que, en el fondo, era intrínsecamente imposible de conocer. ¿Qué significaba esto para los conceptos de verdad fundamental, y no digamos para ideas simples como las de pasado y futuro? Einstein, Schrödinger y otros tenían dificultades para abandonar sus firmes convicciones de un universo externo, determinista y verificable. Einstein creía que, como sólo se podía describir por medio de estadísticas, la teoría de la mecánica cuántica tenía que ser cuando menos incompleta.

Funciones de onda colapsadas Dado que observamos las partículas subatómicas, y las ondas como una u otra entidad, ¿qué decide cómo se manifiestan? ¿Por qué la luz que pasa por dos rendijas interfiere como ondas el lunes, pero cambia su comportamiento como partícula el martes si tratamos de capturar el fotón al pasar por una rendija? Según Bohr y los partidarios de la interpretación de Copenhague, la luz existe simultáneamente en ambos estados, como onda y como partícula. Sólo adopta la apariencia de una u otra cuando es medida. Así que escogemos por adelantado cómo se presentará al decidir cómo nos gustaría medirla.

En este punto de la toma de decisión, cuando se fija el carácter de partícula u onda, decimos que la función de onda se ha colapsado. Todas las probabilidades de resultados contenidos en la descripción de la función de onda de Schrödinger se vienen abajo de manera que se pierde todo salvo el resultado final. Por lo tanto, según Bohr, la función de onda original de un haz de luz contiene en su interior todas las posibilidades, si la luz aparece en su faceta de onda o de partícula. Cuando la medimos, aparece de una forma, no porque cambie de un tipo o sustancia a otro, sino porque es verdaderamente ambas a un tiempo. Las manzanas y naranjas cuánticas tampoco son dos cosas distintas, sino que son un híbrido.

Algunos físicos todavía tienen problemas para comprender intuitivamente lo que significa la mecánica cuántica, y otros los tienen desde que Bohr ofreció nuevas formas de interpretarla. Bohr argumentó que es necesario volver a empezar otra vez para comprender el mundo cuántico y que no podemos utilizar conceptos ordinarios de la vida cotidiana. El mundo cuántico es algo extaño y desconocido, y tenemos que aceptarlo.

Cronología:

1901 d. C.: Planck publica su ley de la radiación de los cuerpos negros.

1905 d. C.: Einstein utiliza los cuantos de luz para explicar el efecto fotoeléctrico.

1927 d. C.: Heisenberg publica su principio de incertidumbre. Se formula la interpretación de Copenhague.

La idea en síntesis: usted escoge