Kitabı oku: «Els dèficits de la realitat i la creació del món», sayfa 2
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.
La definició de realisme no és tan clara, i l’autor d’aquest llibre assenyala acuradament que la realitat quàntica presenta dèficits ontològics. Parlar de realisme suposa una postura filosòfica, i no és clar que tot el món estiga d’acord en què vol dir que alguna cosa és real. És el contingut de les matemàtiques real i no merament un producte del raonament humà? A pesar de les dificultats que té definir el concepte de realisme, és clar que la mecànica quàntica hi imposa limitacions. En la discussió d’Einstein, Podolsky i Rosen podem canviar les propietats d’un sistema físic a través d’una acció que es fa molt lluny sobre un altre sistema –i recordem que es fa quan els dos sistemes ja no interaccionen. És fins i tot probable que la ciència no tinga per missió dir què és la natura, sinó donar una representació de la realitat natural. La construcció de la ciència és associada a la filosofia en tant que parlem d’una teoria del coneixement capaç de descriure la natura. És cert que hi ha altres representacions de la realitat, com la religió, la filosofia o l’art. Però hi ha un aspecte distintiu, el mètode científic, que va permetre separar la ciència de la filosofia natural. No és tampoc evident establir tots els detalls d’aquesta metodologia, però la comunitat científica potser estaria d’acord a dir que: a) la realitat ha de ser explorada per l’experiment i establir fets, classificar propietats i trobar regularitats; b) cal trobar un esquema conceptual capaç d’englobar tots els fets coneguts i ordenar-los; c) l’esquema ha de predir nous fenòmens que són descrits de manera definida; d) les prediccions han de ser sotmeses a verificació experimental. Els apartats a i d, és a dir, els experiments, pertanyen a la pura realitat. Per contra, b i c, és a dir, la teoria, són probablement representacions de la realitat. En el cas de la mecànica quàntica, l’acord impressionant entre teoria i experiment diu que, probablement, la representació de la realitat proporcionada per la teoria és, potser, la més pròxima imaginable a la realitat de la natura. Com hem vist, hi ha limitacions per a establir descripcions ben definides d’un sistema quàntic correlacionat i, per tant, la natura no segueix el camí d’un filòsof realista extrem. La situació oposada al realisme és el positivisme, on la clau del coneixement és l’acord entre les consciències humanes. No sé si el fet que la mecànica quàntica continga alguns components de positivisme és el que ha mogut l’autor a invertir el problema i pretendre arribar a la consciència humana a partir de la mecànica quàntica. És aquest un pas endavant que serà interessant seguir. Alguns deixebles de Niels Bohr van argüir, en les albors de la teoria quàntica, la possibilitat d’explicar el lliure albir com a conseqüència de la realitat quàntica. Però han hagut desenvolupaments tan importants en temps recents sobre la fonamentació de la mecànica quàntica que fins i tot propostes antigues apareixen avui amb una nova força.
Parlant de la realitat de la natura, el llibre també discuteix els avanços recents de la cosmologia. Fins al segle XX, la descripció de l’Univers com un tot pertanyia als dominis de la religió o de la filosofia. El descobriment, en la dècada de 1920, del desplaçament al roig de la llum emesa per les galàxies i, en conseqüència, de l’expansió de l’Univers, va iniciar l’entrada de la cosmologia com a disciplina científica en disposar, a més a més, de la relativitat general d’Einstein per a descriure l’espai-temps. Però només en temps recents ha deixat de ser un parent pobre de la família de la ciència fonamental, caracteritzat per les paraules de Landau: «sempre errant, però no mai dubtant». Potser, avui, la cosmologia és la ciència més interessant, plena de misteris, problemes no resolts, fenòmens no albirats, etc. Molts són els factors que han contribuït a aquest canvi radical, i m’agradaria comentar-ne dos: 1) el desenvolupament de nous mètodes teòrics, presos de la física de partícules, en la descripció de l’Univers primordial; 2) les noves tècniques i dispositius observacionals que van, més enllà dels telescopis òptics convencionals, a la radiació electromagnètica de totes les longituds d’ona, a les ones gravitacionals, als neutrinos, als raigs còsmics de molt alta energia, etc. En contra de l’argument que diu que la gravitació atractiva hauria d’estar frenant-ne l’expansió, les últimes mesures sobre l’expansió de l’Univers ens diuen que la velocitat d’expansió està accelerant-se. Quin és l’origen de l’energia fosca responsable d’aquesta acceleració? En el moment actual estem en plena revolució cosmològica, i l’autor del llibre prepara el camí per especular sobre les raons de l’origen de l’Univers, que en els primers 10–45 segons després del Big Bang va estar regit per les lleis de la gravitació quàntica, encara desconegudes avui en la física fonamental. De l’Univers primordial tenim informació directa a través dels fòssils que ens han quedat d’aquella època: la radiació de fons de microones present a tot arreu i la proporció de nuclis atòmics lleugers sintetitzats en l’època del Big Bang.
Quan l’Univers, en l’expansió i en el refredament, va arribar a temperatures tan baixes que els electrons ja no podien escapar de la seua atracció elèctrica amb els protons, l’àtom d’hidrogen va ser format. Al mateix temps, la radiació electromagnètica es va desacoblar de la matèria pel fet que aquesta era neutra i va quedar per al futur com una radiació de fons. Aquest desacoblament va ocórrer 300.000 anys després del Big Bang, i la radiació, que conté informació detallada d’aquella època, és estudiada avui després de 14.000 milions d’anys. La mesura de les petites anisotropies de la radiació de fons permet obtenir els paràmetres cosmològics responsables de l’evolució de l’Univers amb molta precisió. A més d’una energia fosca que representa el 73 % del total, hi ha una matèria fosca també desconeguda que en representa el 23 %, i així queda tan sols una proporció del 4 % de matèria agregada del tipus conegut però, en gran part, encara no observada directament. El contingut total de matèria-energia proporciona una densitat crítica que prediu un Univers sense curvatura espacial.
Retrocedint en el temps, quan la temperatura de l’Univers donà als protons i neutrons energies típicament nuclears –és a dir, dels nuclis atòmics, amb valors cent mil vegades més grans que les energies atòmiques–, es van poder sintetitzar els nuclis lleugers. La presència avui d’aquests nuclis en l’Univers és un fòssil d’aquella època: la síntesi de nuclis lleugers només ve de l’Univers primitiu, quan aquest tenia un segon de vida. Contràriament al cas dels nuclis lleugers, els nuclis mitjans se sintetitzen avui a partir dels lleugers per reaccions de fusió nuclear en els estels, i els nuclis pesants, en els mecanismes de col·lapse i explosió de supernoves.
De les èpoques anteriors a un segon de vida es pot inferir informació sobre l’Univers a partir d’efectes molt subtils en les fluctuacions de temperatura que s’observen avui en la radiació de fons, però, sobretot, a partir de la física de partícules elementals desenvolupada en la segona meitat del segle XX. A 10–5 segons va tenir lloc una transició de fase en què els quarks de la matèria fonamental van quedar confinats en els hadrons, particularment protons i neutrons. La temperatura era encara suficientment alta per a mantenir una situació d’equilibri dinàmic entre protons i neutrons a través del procés d’interacció feble
Pròxima a l’època de la nucleosíntesi (~ 1 segon), aquest equilibri es va trencar, i els neutrons, o bé es van desintegrar o bé van formar part dels nuclis lleugers. Els neutrinos, que només tenen interaccions febles, es van desacoblar, i han quedat com una altra radiació de fons, aquesta de neutrinos. La detecció d’aquests és molt més difícil que la de microones abans comentada, i qui trobe un mètode apropiat per a descobrir-la i estudiar-la, té garantit el premi Nobel. Retrocedint més en el temps, la física de partícules elementals ens diu que, als 10–11 segons després del Big Bang, es va produir una altra transició de fase, aquesta electrofeble, en què la simetria de la interacció unificada es va trencar, els mediadors febles van desaparéixer i només van quedar, a més de les partícules de matèria, quarks i leptons, els fotons com a mediadors de la interacció electromagnètica. Del temps anterior als 10–11 segons no tenim encara informació a partir de la física de partícules; el nou projecte del CERN, amb la construcció de l’accelerador LCH, s’endinsarà en aquesta regió. Hi ha moltes propostes teòriques per a omplir la regió entre els 10–11 segons i els 10–45 segons de la gravetat quàntica, però manquen de verificació experimental. Pensem que, en termes d’energia, aquest interval arriba fins a una energia 100.000 bilions –milions de milions– de vegades més gran que l’energia avui explorada en la física de partícules. El professor Lapiedra utilitza la descripció de la realitat proporcionada per la mecànica quàntica per exposar mecanismes possibles sobre l’origen de l’Univers i els seus primers instants del Big Bang.
Bé, ha arribat el moment en què jo deixe de parlar i li passe el testimoni al professor Lapiedra. Com el lector comprovarà, el llibre representa un esforç considerable de l’autor per comunicar els conceptes quàntics en un nivell interpretatiu; però –com deia abans– també ha de ser considerat un assaig de teoria del coneixement; és a dir, d’aquest pont entre la filosofia i la ciència que aborda com la mecànica quàntica afecta les nocions d’objectivitat i realitat en la natura, la consciència humana, el lliure albir i, a més a més, l’origen de l’Univers. Gràcies, Ramon, per aquesta peça de reflexió epistemològica i enhorabona! I, al lector, li desitge que gaudisca, pensant i raonant, del contingut del llibre com jo n’he gaudit.
JOSEP BERNABEU ALBEROLA
Universitat de València
València, juliol de 2003
1. La potencia negativa de 10 significa un nombre decimal on es troba un 1 en la posició indicada per l’exponent. Per exemple: 10–1=0,1; 10–2=0,01; etc.
Nota de l’autor a aquesta edició
Aquesta és la segona edició, corregida i augmentada en algunes qüestions cabdals, del llibre del mateix títol editat per primera vegada l’any 2004. Les novetats que conté aquesta edició no radiquen en els canvis que durant aquests darrers quinze anys s’haurien pogut acumular en el tema que es tracta, el tema dels fonaments de la mecànica quàntica i de les conseqüències epistemològiques que se’n deriven. En efecte, poques novetats substancials han aparegut en l’àrea de coneixement corresponent en aquest període de temps, si més no al meu parer i pel que en conec. Per això he renunciat d’entrada a fer una posada al dia de la bibliografia citada en la primera edició: les mancances substancioses que intente superar en l’edició present no venen d’ací. Tot i això, he fet dues excepcions importants quant a l’absència de noves cites bibliogràfiques. La primera, un article de caràcter divulgatiu sobre tres experiments de l’any 2015 (Abellan, Amaya i Mitchell, 2016), tots tres tancant el loophole que encara quedava obert fins aleshores: l’escapatòria de l’exigència conjunta de localitat, per una banda, i de capacitat de detecció total o suficient, per una altra (veg. § 3.4). La segona, en el mateix epígraf 3.4, un article recent (2018) amb el títol «Challenging local realism with human choices», en què diversos subjectes humans separats per distàncies planetàries realitzen a l’atzar les tries consecutives de les diferents direccions de mesura de l’experiment, amb un intent d’evitar raonablement qualsevol correlació mútua indesitjable. Totes les referències bibliogràfiques apareixen ara al final del llibre.
Això aclarit, em referiré a les novetats de contingut introduïdes en aquesta segona edició.
Per començar, només iniciar el llibre he precisat la diferència entre realisme i determinisme, a fi de fer més entenedor tot el que es diu sobre els dos termes en la resta del llibre.
En segon lloc, he introduït un nou subepígraf (§ 2.2.5), substancial, amb el títol «L’experiment mental del gat de Shrödinger amb temps de vol diferents: consideració final», on es neutralitza un cert raonament contra el caràcter objectiu del col·lapse de la funció d’ona.
En tercer lloc, he avançat a l’epígraf 3.1 l’advertiment de l’existència d’una escapatòria fantàstica a fi de preservar el realisme, abans de comentar amb detall la qüestió en els epígrafs 3.4 i 3.5, i encara en les consideracions finals, on argumente perquè no crec que hauríem de validar aquest intent d’escapatòria.
En quart lloc, distingesc amb cura entre les desigualtats originals de Bell (veg. § 3.4) o les posteriors, dites desigualtats CHSH (veg. § 4.5), d’una banda, i les desigualtats de d’Espagnat (veg. § 3.5 i l’apèndix), d’altra banda. La violació de les unes o les altres desigualtats comporta el fracàs de tipus de realismes diferents: del realisme local, en els dos primers casos, o del realisme simultani, en el tercer cas.
Finalment, l’antic epígraf 4.5 ha estat completament reformulat i ha vist canviar el títol, que ara esdevé «Sistemes vius i mecànica quàntica: respostes aleatòries i desigualtats de Bell».
Naturalment, s’ha aprofitat l’avinentesa d’aquest canvis substancials per a introduir tot de petites correccions, la majoria lingüístiques o d’estil, a banda de les que comporta la consistència exigible d’un únic text final.
Per una altra banda, he preservat la nota de l’autor de la primera edició del llibre, amb els comentaris que s’hi fan sobre la naturalesa d’aquest i sobre algunes indicacions de lectura, i amb els diversos agraïments a col·legues i amics, alguns dels quals ens han deixat un buit immens en haver faltat en aquests darrers anys.
Així mateix, he volgut mantenir el sucós pròleg del professor Josep Bernabeu a la primera edició, a qui vull agrair el permís que m’ha donat per a fer-ho, com també vull agrair al professor Armando Pérez el pròleg a aquesta segona edició i les abundoses, enriquidores i grates discussions que hem tingut en el darrers anys sobre els temes del llibre.
Encara vull agrair al professor Vicent Quilis una informació cosmològica substancial i al professor José M. Senovilla la lectura crítica que va fer, fa anys, de la primera edició. D’aquesta lectura es va derivar en particular una esmena puntual, però d’entitat, que he incorporat a l’actual capítol 5.
Abans d’acabar la nota, el meu agraïment als membres del Departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València, Felicidad Pellicer i Enric Marco, per l’assistència informàtica, i a tot el Departament per l’acollida tan grata que sempre m’ha dispensat, abans i després del meu nomenament com a professor emèrit de la Universitat de València.
També al Servei de Publicacions de la Universitat de València i a qui, fins no fa gaire, en fou el director, el professor Josep Lluís Canet, el reconeixement per haver volgut atendre la meua proposta de publicar aquesta segona edició.
Finalment, el meu agraïment a Maite Simon, cap d’Edició, als correctors Elvira Iñigo i David Lluch, i encara a Inmaculada Mesa i Celso Hernández, per la professionalitat i l’amabilitat del tracte.
València, novembre de 2019
Nota de l’autor a la primera edició
El caràcter d’aquest llibre és el d’un assaig divulgatiu adreçat a qualsevol persona mínimament atenta i sensible als grans interrogants que ens han acompanyat des de sempre als humans; és també un llibre per a qualsevol filòsof, professional o amateur, atent a les vicissituds de la ciència, i encara per a un físic professional interessat en qüestions fonamentals de la física i del coneixement. Així doncs, he intentat que el to i els pressupòsits del discurs s’acomoden a un públic general, enllà de la colla restringida dels físics en actiu, encara que la consideració de la somera bibliografia que propose a la fi de cada capítol puga fer semblar que determinades referències són innecessàriament especialitzades. És per això que voldria aprofitar aquesta nota per donar alguna indicació, evident d’altra banda, sobre com s’hauria de consultar aquella bibliografia: el lector amb pocs coneixements de física farà bé d’ignorar totes les referències més tècniques de revistes científiques i limitar-se a aquelles que són estrictament revistes de divulgació científica com és ara, per exemple, Investigación y Ciencia. Les referències que estan destinades a aquest lector són les de caràcter general que apareixen al final de la introducció o, també, amb el mateix caràcter, en la bibliografia d’altres capítols, generalment en forma de llibres.
No obstant això, com entre els destinataris d’aquest llibre es troben també els físics que prossegueixen, en un camp o en un altre de la física, una tasca investigadora, he volgut consignar igualment alguns llibres tècnics o alguns articles apareguts en revistes d’investigació en allò tocant a la mecànica quàntica i la cosmologia. Tot i així i pel que fa a aquests articles, sempre que he pogut he seleccionat aquells apareguts en revistes científiques un punt generalistes com Physics Today, Nature, Science, etc. En qualsevol cas, la bibliografia presentada és molt somera, i l’he citada sempre amb l’esperança de servir millor les necessitats informatives i de comprensió del lector sense acudir per sistema als treballs originals en cada tema. Això ha fet que, en alguns casos, haja citat referències molt modernes amb l’esperança que el lector interessat hi puga trobar noves referències d’interès.
Encara tres indicacions per a una bona lectura del text:
1) En general, cada nou concepte introduït que necessita d’algun tipus de definició figura en cursiva en la primera aparició i, com a norma general, en lletra redona en aparicions ulteriors.
2) Molt freqüentment, el terme mecànica quàntica apareix abreujat com a MQ.
3) Un índex analític a la fi del llibre facilitarà al lector la localització en el text dels termes rellevants que li interessen en un moment donat.
No voldria acabar aquesta nota sense donar les gràcies a tots els col·legues que, amb els seus suggeriments i crítiques i amb les seues informacions, m’han ajudat en la redacció d’aquest llibre.
En primer lloc, al meu admirat col·lega, el professor Josep Bernabeu, qui no solament ha redactat el pròleg d’aquest llibre, sinó que n’ha fet una lectura atenta, plena d’observacions i crítiques impagables, que li vull agrair ací. També al professor Diego Sáez, que ha fet el mateix amb el capítol 5.
Al professor Guillermo García Alcaine, amb qui durant me· sos he mantingut una intensa relació epistolar sobre fonaments de mecànica quàntica que ha estat per a mi d’allò més informativa i aclaridora.
Als professors Eliseu Borràs, Tolo Coll, Chus Martín, Josep Ros i Emilio Santos, amb qui he discutit sovint profitosament, ara i fa anys, sobre algunes de les qüestions d’interpretació de la mecànica quàntica i de qui he rebut indicacions bibliogràfiques valuoses. També al professor Paco Montes, a qui dec una lectura crítica d’alguns capítols del llibre i amb qui he prosseguit i pros· seguisc investigacions sobre algunes qüestions relacionades amb el contingut d’un d’aquests capítols. Finalment, he d’agrair en· cara als professors Enric Casaban, Vicent Martínez Sancho, José Luis Sánchez Gómez, José Manuel Sánchez Ron i Toñi Sánchez Macarro altres indicacions bibliogràfiques útils per a la finalitat d’aquest llibre i al professor Quico Botella, l’amabilitat d’una visi· ta guiada al laboratori docent de física quàntica de la Universitat de València.
Però, després d’haver gaudit del concurs crític de tants col· legues, els errors que encara puga contenir aquest llibre s’haurien d’atribuir únicament a la contumàcia de l’autor.
A un altre nivell, vull agrair a la meua universitat, la Universitat de València, l’any sabàtic que, dins del programa d’anys sabàtics que té la institució, em va concedir per al curs 2002·2003. Sense aquesta llicència el llibre no hauria vist la llum, o hauria tardat encara molt a veure·la. Que se’m permeta, doncs, expressar des d’ací la meua admiració per tots aquells col·legues que, sense cap any sabàtic, són capaços d’atendre les seues obligacions docents i investigadores ordinàries i alhora enllestir un llibre. I que se’m permeta, a punt d’acabar aquesta nota, donar les gràcies, mentre tre me’n congratule, a tots els meus companys i companyes del Departament d’Astronomia i Astrofísica per l’atmosfera plaent de treball i companyonia que hem sabut crear entre tots, pel regal abundós de discussions científiques enriquidores i per la paciència que m’han dispensat des de fa anys corregint la meua imperícia per a tractar amb els ordinadors.
Finalment, he d’agrair a Dolors Sanchis, Lluís Miró i Celso Hernández, del Servei de Publicacions de la Universitat de València, la professionalitat i l’interès a l’hora d’editar aquest llibre.
València, setembre de 2003
