Después de varias enriquecedoras discusiones durante una escuela de filosofía de la física que ocurrió en Croacia en el verano del 2018, uno de los organizadores, el renombrado filosofo de la física de la Universidad de Nueva York, Dr. Tim Maudlin (autor de libros como Philosophy of Physics: Space and Time, Quantum Non-Locality and Relativity y The Methaphysics Within Physics) propuso a sus colegas la idea de crear un sitio dedicado al estudio y la revisión crítica de los conceptos más caros, importantes y fundamentales para la física actual. La idea fue acogida con entusiasmo porque para muchos de los entonces reunidos, la física requiere una revisión urgente de sus concepciones más básicas; de acuerdo a sus miembros, el ignorar las dificultades fundamentales, así como la falta de claridad en el uso de los conceptos, ha repercutido negativamente en el estudio de varios de los problemas centrales que la física intenta enfrentar y resolver desde hace casi cien años. Fue así como nació el John Bell Institute.
El Dr. Daniel Sudarsky del Instituto de Ciencias Nucleares y el Dr. Elías Okón del Instituto de Investigaciones Filosóficas son investigadores de dos lugares de la UNAM que pareciera no tienen nada que ver uno con el otro. Ambos físicos son miembros del centro que se fundó bajo la idea que propuso Tim Maudlin ese verano. Sudarsky pertenece a su Junta de Gobierno, y Okón es miembro de la Facultad. Forman parte de un colectivo de filósofos, matemáticos y físicos de todo el mundo que tienen por objetivo retomar desde la física, lo que hoy se considera sólo un asunto de filósofos. Al respecto, Elías Okón aclara: “a finales del XIX, principios del XX, el interés [de la física] se centraba no sólo en construir teorías que hicieran excelentes predicciones [como es el caso en el presente], sino en entender qué nos decían esas teorías sobre cómo es el mundo que postulan, qué es lo que hay en ese mundo y cómo se comporta”. Estos físicos se preguntan cómo es y qué hay en el universo.
De las mediciones del laboratorio a las explicaciones sobre cómo es el Cosmos
Al surgir la mecánica cuántica en el siglo XX, específicamente la interpretación estándar de la escuela de Copenhague, cambió el modo de hacer física en comparación con el siglo anterior: la piedra de toque con lo cual debían lidiar, trabajar y explicar los físicos era con cantidades medibles obtenidas en laboratorios y experimentos.
El punto problemático con esta interpretación es que contempla una ley de evolución de los sistemas cuánticos cuando no se los perturba, y otra cuando se efectúa una medición. La aceptación sin crítica de estas dos conflictivas reglas se convirtió en la práctica estándar que se extendió hasta nuestros días. Es la forma ortodoxa de hacer física; es lo que se enseña en las facultades y se investiga en los institutos. Es el modo “serio” de ser físico. Pero este enfoque centrado en lo que medimos, cuenta Daniel Sudarsky, nos lleva a ignorar un aspecto muy ambiguo de la mecánica cuántica: ¿qué significa exactamente hacer una medición? ¿Se requiere acaso que el sistema cuántico interaccione con un observador consciente de que ha hecho justamente eso, una observación o medición? ¿Ha de ser necesariamente un humano?, ¿o puede ser un gato? (en alusión al famoso “Gato de Schrödinger”) ¿Puede una mosca hacer una medición?, ¿y que tal un virus? En un nivel todavía más básico, ¿un átomo? Tal vez se requiere un aparato de medición. Pero, ¿por qué no es un átomo uno de éstos? ¿No están acaso los aparatos de medición hechos de átomos?, ¿será que se requiere un número determinado de éstos para que algo cuente como “aparato de medición”?
Los grandes logros tecnológicos que se obtuvieron mediante las predicciones de la mecánica cuántica estándar apuntalaron la tendencia a considerar “lo medido”. A la larga, la búsqueda por producir teorías con una alta capacidad predictiva, basadas en mediciones constatables, sacó de los departamentos de física las preguntas que hoy se consideran propias a la filosofía: ¿qué es lo que existe en el universo? ¿Cómo es?
A las preguntas de cómo son las cosas mismas, y en el caso que ocupa a este grupo, a las preguntas de cómo es el universo de acuerdo a las diversas teorías físicas, se le conoce como ontología. Bajo esta idea, para este grupo las propuestas teóricas claras deberían indicar cuál es exactamente la ontología en cada teoría fundamental de la física.
Daniel Sudarsky explica que dado que en el estado de desarrollo teórico actual, donde aun no se cuenta con una propuesta satisfactoria para la gravitación cuántica, las preguntas generales que desde la física se plantean sobre el cosmos se realizan suponiendo nociones de espacio y tiempo que se dan por sentado. La pregunta ontológica desde la física sobre cómo es el universo es entonces, ¿qué es lo que existe en el espacio y el tiempo? O usando las palabras de John Bell, ¿cuáles serían los entes físicos locales posibles, viables, dadas las condiciones en las que el cosmos existe?
En resumen, desde principios del siglo XX y con la aceptación generalizada de la interpretación estándar de la mecánica cuántica, la física perdió interés por preguntarse acerca de la ontología del universo, y la teoría que la postula. Los físicos se convencieron de que no tenía sentido hablar de lo que existe, sino solo de lo que se mide. Salvo excepciones representadas por las ideas de David Bohm, Hugh Everett o el propio John Bell, el proyecto filosófico de la física se disipó.
Para el grupo interdisciplinario del John Bell Institute son justamente cuestiones como la clarificación conceptual dentro de las diferentes propuestas teóricas de la física, hasta las preguntas ontológicas sobre el universo, lo que resulta de suma importancia, pues podrían contribuir a abrir un camino viable que saque a la física contemporánea de un atolladero que ya lleva casi un siglo y que refleja una profunda tensión entre sus dos pilares teórico-conceptuales: la relatividad y la mecánica cuántica estándar. Cuestionarse los fundamentos de las teorías en física permite identificar errores, notar contradicciones y obligarnos a confrontar las indefiniciones conceptuales que, en palabras de Daniel Sudarsky, hacen que varias de las propuestas teóricas que se producen hoy para encontrar la salida “no puedan ser consideradas ni siquiera como falsas” (parafraseando al famoso not even wrong de Wolfgang Pauli y un reciente libro de P. Woit). Es posible que la ventana hacia la nueva física esté allí, y este grupo se esfuerza por encontrarla.
El retorno a las preguntas sobre cómo es el universo
Desde los años 80 y ante la situación de la física contemporánea, se abrió un pequeño campo con gente que tenía conocimientos filosóficos y de física lo suficientemente profundos para vislumbrar cómo podrían retomarse las preguntas sobre la realidad que se postula teóricamente, desde la física, del universo. Se logró reconocer que era fundamental aclarar qué era exactamente lo que podían estar diciendo las distintas teorías respecto a cuáles eran sus entes físicos locales viables correspondientes. Sin embargo, estos físicos y filósofos no encontraban un lugar académico dónde formular las cuestiones y encontrarse para discutir. Su espacio propio no se encontraba en los ortodoxos departamentos de física, donde las preguntas ontológicas se consideran, todavía, “no propias a la física seria” o se toman como divertimentos mentales. Algunos de ellos se integraron a departamentos de filosofía. Muchos se sintieron fuera de lugar en uno y otro lado.
Daniel Sudarsky comenta que sus investigaciones como físico lo “forzaron a confrontar cuestiones conceptuales que él inicialmente pensaba que eran sencillas de aclarar”, pero se percató de que se estaba adentrando en un complejo mundo en el que ya se habían logrado notables avances, que representaban justamente el tipo de conocimientos que se requerían para abordar las cuestiones que a él le intrigaban. Por ello, considera sumamente importante la interacción con un grupo multidisciplinario para el estudio del tipo de temas en los que trabaja, que involucran la interfase entre la gravitación y la cuántica.
El Instituto John Bell busca crear un espacio propicio para este tipo de investigaciones. La intención de esta comunidad emergente es romper el aislamiento en el cual cada uno de sus pocos integrantes realiza su labor. El proyecto contempla la realización de talleres y escuelas de verano, estancias de investigación conjunta y formación de especialistas para consolidar el campo en los fundamentos de la física.
El vaivén entre física y filosofía para hallar nueva física
Elías Okón cuenta que para distinguir el campo emergente de los fundamentos de la física, de otros que tratan sobre el análisis de la práctica científica, como los estudios sociales sobre ciencia o la filosofía de la ciencia analítica, lo que debemos atender es al tipo de preguntas que queremos hacernos, y eso definirá los campos de acción. A diferencia de la historia, los estudios sociales o la filosofía analítica de la ciencia, los fundamentos de la física no buscan hacer ciencias sociales o humanidades, sino física teórica. Para ello hay que volver a las raíces de la física. Okón explica: “puedes hacer un continuo entre la física aplicada, luego física teórica no fundamental (por ejemplo física de estado sólido), luego física teórica en asuntos fundamentales (como mecánica cuántica estándar o relatividad) y si sigues ese continuo, terminas haciéndote preguntas como ‘tenemos esta teoría, ¿qué es lo que nos dice sobre el mundo?’ Es en ese punto donde uno se encuentra naturalmente con otra importantísima pregunta: ‘¿Son compatibles estas teorías fundamentales?’”.
Esto quiere decir que la labor del campo de los fundamentos de la física consiste en retomar los conceptos básicos de las teorías principales de la física contemporánea, para extrapolar los postulados de estas teorías hasta sus últimas consecuencias físicas: qué tipo de cosmos es el que se obtiene de esos postulados teóricos, cómo es el universo mismo del que trata y cómo opera. Cuáles son los entes viables de los que hablaba Bell, en ese universo.
Física contemporánea: ¿asume universos con realidades incompatibles?
Nótese algo importante: es la pregunta por cómo es el universo, la que parece hacer incompatible a la mecánica cuántica y la relatividad. La tensión no es sólo teórica: el punto es que cada teoría, llevada a sus últimas consecuencias físicas, postula al menos en su versión más conocida (las que se enseña a nuevos físicos), universos con realidades radicalmente distintas. Es por estas tensiones analizadas desde la ontología, que aunque el proyecto del campo de los fundamentos de la física sea propio a la física, se termina estudiando también desde la filosofía. Y es esta tensión filosófica por describir la realidad del universo, la que finalmente hace que esta comunidad produzca nuevas teorías físicas.
Los esfuerzos por encontrar una salida a las tensiones entre mecánica cuántica y relatividad, de acuerdo a Okón, han echado mano casi en su totalidad de la versión estándar de la mecánica cuántica, lo cual ha demostrado no poder resolverlas. Lo que se suele hacer es ignorar la mitad más problemática de la cuántica -el asunto ontológico que ya describimos arriba, conocido ‘el problema de la medición’- y trabajar como si no estuviera allí. Para Elías Okón es plausible que algunos de los problemas de la física contemporánea se deban a que se ha utilizado esa teoría cuántica defectuosa.
Un ejemplo que ilustra los fallos de la física actual y que nos muestra Daniel Sudarsky, es el uso confuso y poco cuidadoso de la noción de fluctuación, pues muchos de sus colegas lo usan para denominar fenómenos físicos diversos, sin notar que de hecho, son muy diferentes (véase la infografía a detalle aquí)
El asunto de conceptualizar claramente la fluctuación es de gran relevancia para la cosmología (es decir, para teorizar sobre la evolución del universo) porque es con base en las fluctuaciones cuánticas, que los modelos físicos actuales pretenden explicar el origen de las estructuras en el universo (los planetas, las galaxias, los cúmulos, etc.). Según la cosmológica inflacionaria, en algún punto muy cercano al Big Bang ciertas fluctuaciones cuánticas (que no eran otra cosa que niveles de indefinición cuántica en lo que era en realidad un estado completamente homogéneo e isotrópico) produjeron inhomogeneidades que a la larga establecieron una distribución dispareja de la materia, lo que permitió que entonces se crearan las estructuras cósmicas que vemos hoy, como planetas, estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y filamentos a lo largo de todo el universo (véase figura 2).
Figura 2: Imagen de la estructura del Universo, modelada a partir de los análisis de instrumentos del Sloan Digital Sky Survey
Ahora bien, el problema es que no hay nada en la teoría que justifique pensar en esos niveles de indefinición como inhomogeneidades o desviaciones de ‘lo parejo’, es decir, de lo homogéneo e isotrópico. El estado del sistema está descrito en la cosmológica más conocida como algo totalmente parejo, y no dejará de estarlo a menos que se efectúe una medición, proceso que, según la teoría, sí sería capaz de hacer ‘disparejo’ lo que inicialmente era ‘parejo’.
Esto, cuenta Daniel Sudarsky, nos lleva otro aspecto problemático de la mecánica cuántica en cuanto a su aplicación en la cosmología. Ya notamos que hay un problema con el hecho de que no es claro qué significa hacer una medición. Vimos que eso lleva a multiplicidad de preguntas difíciles, pero revisándolas con cuidado, vemos que independientemente de lo que uno pueda querer considerar, claramente nada de esto puede ser relevante en el universo temprano donde no solo no había humanos, ni gatos, ni aparatos de medición, ¡sino que ni siquiera había átomos!
Para que las anteriormente mencionadas ‘fluctuaciones cuánticas’ del universo temprano se convirtieran en variaciones de las condiciones entra distintas regiones del espacio, en los albores del universo, las que permitieron que después hubiera lo que vemos hoy en nuestros telescopios, es necesario que al menos en algunos puntos del cosmos primitivo hubiera regiones que se volvieran mas densas a partir del estado ‘parejo’, aunque indeterminado en ciertos aspectos, como es el que se postula.
Indeterminación cuántica
Para ver con más claridad el asunto, recordemos la manera en que aparece la cuestión de la indeterminación del estado de las partículas en mecánica cuántica. Las partículas, según esta teoría, están descritas por estados en que su posición no tiene un valor determinado, sino que está en cierto sentido (bastante oscuro) distribuido sobre un enorme rango de valores al mismo tiempo. Según la teoría, no es que este valor cambie o que la partícula se mueva o salte de un lugar a otro, sino que ella existe simultáneamente en múltiples lugares. Así es su naturaleza: su posición (así como sus otros atributos como velocidad, etc.) es en general indeterminada. Es hasta que se realiza una medición de la posición de esa partícula, cuando ésta adquiere un valor específico y pasa a un estado especial en que está localizada en un solo punto. De acuerdo a la mecánica cuántica estándar (la que se acepta en general en todo el ámbito de la física), es hasta que se observa, que se mide alguna cantidad pertinente a la partícula, que entonces ésta adquiere un valor particular. Pasó de existir de un estado indeterminado de una cantidad (posición o velocidad), a uno con valor determinado. A este cambio que produce la propia observación o medición, los físicos lo caracterizan como el colapso de la función de onda de la partícula.
A estas alturas ya percibimos que hay un problema: para que las partículas cuánticas pasen de un estado indeterminado a uno determinado, es decir, para colapsar la función de onda de las partículas cuánticas y que adquieran un estado particular, es necesario hacer una medición de ellas. Eso no parece representar un problema demasiado serio cuando lo que se considera son las mediciones en un laboratorio, pero cuando buscas aplicar la misma idea, el papel de la medición, al contexto del origen y evolución del universo, hay una pregunta lógica, que fue la que llevó a Daniel Sudarsky a involucrarse con las dificultades presentes en los fundamentos de la física actual, y a replantearse su labor como físico: en los inicios del universo, donde no había laboratorios para medir, ni gente, ni nada que pudiera observar, ¿quién o qué hizo la medición que colapsó la función de onda de al menos algunas partículas cuánticas, para que entonces se produjeran las primeras fluctuaciones, los primeros colapsos de onda, que después serían las semillas de las galaxias y las estrellas? Podemos notar que esta pregunta, desde la mecánica cuántica estándar y los modelos cosmológicos sustentados en ésta, no tiene ninguna respuesta satisfactoria.
Dentro del Instituto John Bell, la principal contribución de Daniel Sudarsky será, piensa él, impulsar el estudio de la interface entre los problemas conceptuales generales y los problemas más específicos que enfrentan los físicos en temas como cosmología, gravitación o teoría de campos, asuntos que no suelen ser abordados por muchos filósofos o matemáticos.
Miradas interdisciplinarias desde la UNAM
Daniel Sudarsky y Elías Okón han mostrado juntos que al usar algunas versiones de teorías de mecánica cuántica de colapso objetivo (caracterizadas porque no requieren del observador para colapsar la función de onda, sino que esto sucede espontáneamente), en lugar de basarse en la versión estándar, se pueden encontrar posibles soluciones a varios de los problemas contemporáneos de la física actual: “Investigar los problemas simultáneamente desde el punto de vista de varias disciplinas puede servir para encontrar nuevos caminos que ayuden en los múltiples tipos de dificultades, y éste claramente forma parte de los objetivos del John Bell Institute”.
En el contexto de la UNAM, la intensa interacción que se está dando entre el Instituto de Ciencias Nucleares y el Instituto de Investigaciones Filosóficas es una muestra clara de lo fructífero que puede ser este campo interdisciplinario que se intenta consolidar.
1) Para saber por qué el instituto se llama John Bell, puedes conocer la contribución de este físico y filósofo en la página:
https://eltamiz.com/2010/10/27/cuantica-sin-formulas-el-teorema-de-bell/
2) Para mayor información sobre el John Bell Institute, se puede consultar la página: https://www.johnbellinstitute.org/
Textos:
Mtra. Aline Guevara y Dr. Daniel Sudarsky (con contribuciones de la Dra. Gabriela Frías)
Infografía: Mtra. Aline Guevara (información científica del Dr. Daniel Sudarsky)
Agradecemos la asesoría conceptual y las entrevistas del Dr. Daniel Sudarsky y del Dr. Elías Okón.