Que no existe un tiempo que abarque todos los
acontecimientos del universo, fue su primer efecto. En otras
palabras: no puede hablarse de un orden temporal definido que
comprenda acontecimientos que se desarrollan en diferentes
lugares. De esto se deduce lo siguiente: no existe un tiempo
absoluto, sino un espacio-tiempo, o sea, un tiempo local. "Al
modificar los conceptos profundamente anclados
(axiomáticos) de tiempo, espacio y materia, Einstein se
enfrentó directamente a una tradición
filosófica de cuatro siglos que tenía por base la
hegemonía de la razón pura. Ésta, en el
pensamiento de Einstein, pasó a ocupar un lugar mucho
más modesto, en tanto que instrumento que ha de probar en
cada caso su eficiencia. Y de todo ello resultó que la
física no sólo influyó poderosamente en la
filosofía, sino que incluso la desbancó de su
privilegiada posición en el campo del conocimiento, dando
lugar a una nueva corriente de pensamiento, que superaba los
límites marcados por la filosofía clásica
alemana", resalta el referido libro.
Gracias a la Teoría de la Relatividad se ha
avanzado en la comprensión de los fenómenos
físicos y se ha cambiado la forma de concebir el universo.
En el arte, múltiples expresiones indican nuevas maneras
de observar el espacio, el tiempo y los hechos.
Einstein revolucionó la ciencia con aportes que
cambiaron la manera de ver y entender el mundo. Es tanta su
trascendencia que a partir del planteamiento einsteniano
surgió una nueva corriente de pensamiento
filosófico conocido como el neoPositivismo o
"filosofía del realismo" (como la denominó Bertrand
Russell). Se trata de una filosofía que forma una unidad
esencial con la ciencia, que ha abandonado la pretensión
de poseer un método filosófico especial o sistema
que permita desvelar aspectos concretos del conocimiento, y no
pretende formular una explicación del universo en su
totalidad.
Sin dominar alta matemática y física
teórica moderna, no se puede entender el alcance y el
mensaje de la relatividad, pero esto "no debe hacer que
desistamos de conseguir un conocimiento bastante exacto en
líneas generales de la relatividad para enjuiciarla e
integrarla en una visión general del mundo", aclara
Vélez Correa.
¡Importante! No confundir relatividad con
relativismo. ¿Qué es relativismo? Doctrina que
afirma que la verdad de nuestro conocimiento depende
exclusivamente del sujeto o de cualquier otra norma que no sea la
misma cosa en sí. Así, cada uno tiene su propia
verdad según la manera de concebir las cosas. La verdad no
puede ser sino una, aunque nosotros podemos conocer más de
esa verdad y otro puede conocer menos. Como la verdad depende de
cada sujeto, lo que para uno es verdad puede ser para otro un
error; lo que para uno es bueno, para otro es malo.
¿Qué es relatividad? A continuación lo
sabremos. Pero antes, con la ayuda de Vélez Correa,
miremos en qué consiste un sistema de
referencia.
Cuando hablamos de movimiento de un vehículo, nos
apoyamos en ciertos conceptos previos: el tiempo empleado, el
espacio recorrido y el sistema de referencia. ¿En
qué consiste el sistema de referencia? Consiste en aquello
que tomamos como punto de referencia para decir que el
vehículo ha recorrido un espacio. Por ejemplo, la
estación de donde partió el vehículo hace
determinado tiempo. A los sistemas de referencia se aplican
términos como relativo y absoluto. Un
sistema de referencia es absoluto cuando permanece quieto
respecto al cuerpo que se mueve. La estación, por ejemplo,
es un sistema de referencia absoluto respecto al vehículo
que partió, porque no es la estación la que se
mueve respecto al vehículo, sino éste respecto a la
estación. Un sistema de referencia es relativo cuando no
se logra determinar si es el cuerpo el que se mueve respecto al
sistema de referencia o si es el sistema de referencia el que se
mueve respecto del cuerpo. Si nos encontramos dentro de un tren y
al lado hay otro tren en una estación, no logramos
precisar si nosotros nos estamos moviendo respecto al otro tren o
si es el otro tren el que se está moviendo. Cuando el
movimiento de un cuerpo se efectúa respecto a un sistema
de referencia absoluto, se dice que el movimiento de ese cuerpo
es absoluto. Cuando el movimiento de un cuerpo se efectúa
en un sistema de referencia relativo, se dice que el movimiento
de ese cuerpo es relativo.
La Teoría de la Relatividad reúne dos
elementos distintos: Relatividad Especial o Restringida y
Relatividad General. La primera dice que las leyes de la
naturaleza son las mismas para todos los observadores cuyos
marcos de referencia se estén moviendo con velocidad
constante respecto al otro. Predice que las cosas que se
mueven parecerán acortarse en dirección al
movimiento, que los objetos que se mueven parecerán
más pesados que si estuvieran inmóviles y que la
masa y energía son equivalentes. Establece que la luz
viaja siempre a una velocidad constante sin importar qué
medio atraviese. Unifica el espacio tridimensional
(longitud, altura y anchura) y el tiempo en un espacio-tiempo
cuatridimensional plano, pero no describe los efectos de la
gravitación. Para todos los fenómenos la
Relatividad Especial, lo que uno ve en el otro, también
otro lo ve en uno. Cuando A y B se cruzan a una velocidad
vertiginosa, cada cual observa en el contrario cómo se
dilata su tiempo. Sólo si ambos frenan y cambian
impresiones, se constatan las diferencias. Modificó el
principio de relatividad de Galileo (la velocidad de la luz en el
vacío es infinita; el tiempo y el espacio poseen un
carácter absoluto), sobre el cual se había basado
la física clásica. La Teoría Especial, sobre
la que se apoya la Teoría General, se aplica a todos los
fenómenos físicos, exceptuada sólo la
gravitación. La Teoría General ofrece la ley de la
gravitación y sus relaciones con las otras fuerzas de la
naturaleza.
Einstein afirmó que cuando un cuerpo se desplaza
en línea recta a una misma velocidad, por ningún
medio mecánico ni electromagnético que acaeciera
dentro de ese cuerpo se podría saber si ese cuerpo
está en reposo o en movimiento: "un fenómeno
electromagnético (como la propagación de la luz o
una señal de radio) se comporta de la misma manera, ya sea
que el cuerpo donde se efectúe la señal esté
en reposo o en movimiento uniforme rectilíneo, porque la
velocidad de la luz es constante", precisa Vélez
Correa.
El planteamiento einsteniano de que la materia es una
propiedad del espacio inseparable del tiempo, creó una
nueva geometría del universo, que se convirtió en
una metáfora humana del siglo XX, un estado marcado por la
incertidumbre, el aislamiento y la búsqueda de sentido. La
teoría de la Relatividad Especial es, sobre todo, una
teoría geométrica de la gravitación. En esta
teoría se muestra que "entre dos sucesos existe una
relación, a la cual puede llamarse "intervalo", divisible
de muchas diferentes maneras en lo que consideraríamos un
intervalo de tiempo", aclara Bertrand Russell.
Con la formulación de la Teoría Especial
de la Relatividad estableció dos principios:
1 La velocidad de la luz es la máxima en el
universo y es la misma para todos los
observadores.
Un tenista que viaja en un tren a alta velocidad y
golpea con su raqueta una pelota de tenis hacia arriba, percibe
que el objeto sólo se movió de manera vertical para
volver a caer en la raqueta. Alguien que observa en la
estación, ve un movimiento parabólico de la pelota
y horizontal del tenista. Ahora, si el tenista golpea la pelota
hacia delante, quien está en la estación ve la
pelota moviéndose a la velocidad del tren, más la
velocidad que le causó el golpe con la raqueta.
Así, un hecho es distinto para cada observador. Pero no
sucede igual con la luz: para el tenista viajero y el observador
en la estación, la velocidad de la luz es la misma: cerca
de 300.000 kilómetros por segundo.
2. No existe movimiento ni tiempo
absoluto.
El tiempo no es absoluto; puede dilatarse y contraerse,
adaptándose a las clásicas dimensiones de alto,
largo y ancho para formar un continuo espacio-tiempo, que es
curvado. Todos los cuerpos y radiaciones, incluso la luz, son
sometidos por esta curvatura.
El reloj del que viaja en una nave espacial a una
velocidad cercana a la luz, marca un tiempo distinto al que se
encuentre en la tierra. Si uno de dos gemelos realizara un viaje
interplanetario, por un año, al regresar
encontraría a su hermano anciano o muerto.
¿Qué tiene que ver la Teoría de la
Relatividad Especial con la vida cotidiana de una persona? Mucho,
y de impresionantes repercusiones. "Las influencias relativistas
han hecho posible la vida en la tierra y las que le dan sus
características básicas: formación de la luz
del sol a partir de procesos de fusión nuclear,
evolución de la especies y existencia del conjunto de la
química. La relatividad también es usada por los
militares en sus sistemas de navegación apoyados en
satélites", sostiene un artículo de la Revista Muy
Interesante.
Esta teoría es una parte lógica y natural
de la vida diaria, hasta el punto de considerarla como una
realidad. Se ha confirmado que la relatividad es una realidad al
unir esta teoría con la Mecánica Cuántica,
para llegar así a una comprensión de la
física atómica, del electromagnetismo y de la
física nuclear. Proporcionó la base para avanzar en
la moderna física de partículas. Muchas
teorías, como la famosa de las Supercuerdas, se apoya
básicamente en la teoría einsteniana. La idea
revolucionaria de esta teoría consiste en que el
principio de relatividad es válido para todas las leyes
físicas, no sólo para la mecánica.
Esta teoría muestra que la velocidad de la luz debe
ser la misma en todos los sistemas inerciales, tanto en
relación con el universo, como también en
relación con la tierra que se mueve en el mismo.
Según ésta, la velocidad de la luz es la misma
para todos los observadores. Por eso es la clave para
comprender que lo que nosotros entendemos por simultáneo
puede depender de nuestro sistema de referencias. Así,
pues, simultaneidad en un sistema de referencia no significa
simultaneidad en otro. Esta conclusión ayudó a
abandonar la idea newtoniana de un tiempo absoluto y universal,
igual para todos. ¡Indiscutible su utilidad!
La Teoría de la Relatividad General sostiene que
las leyes de la naturaleza son las mismas para todos los
observadores aunque se hallen acelerando los unos con respecto a
los otros. Establece que la gravitación es el
resultado de las distorsiones en la geometría del
espacio-tiempo (esto es, una geometría que no sólo
considera la distancia entre dos puntos del espacio, sino
también la distancia entre puntos en el tiempo). Sostiene
que los campos gravitacionales inciden en las mediciones del
espacio y del tiempo. Incluye a la relatividad especial pero
abarca mucho más. No se puede olvidar que la Teoría
de la Relatividad General rompió con la mecánica
newtoniana y la geometría eucludiana.
Gracias al saber fascinante y revolucionario de las
teorías propuestas por este insuperable genio, hoy somos
capaces de viajar con la imaginación sobre un rayo y
escudriñar los fenómenos extraños que surgen
invariablemente cuando se alcanzan altas velocidades. "Si alguien
pudiera viajar a la velocidad de la luz su cuerpo se
encogería hasta alcanzar el grosor de una hoja de papel
como consecuencia de la contracción longitudinal del
espacio; sus movimientos se harían cada vez más
lentos y el tiempo llegaría a detenerse; su masa inerte
crecería tanto que podría igualarse a la de un
agujero negro, y las distancias interespaciales se
reducirían hasta desaparecer en apariencia. El viajero
espacial jamás podría percibir durante el vuelo que
su tiempo pasa con mayor lentitud. Sólo tras el
aterrizaje, al compararse con el mundo exterior,
advertiría que algo se ha modificado en él con
relación a su entorno. Posiblemente encontrará que
sus hijos son mayores que él", refiere la Revista Muy
Interesante.
Esta teoría afirma que cuando un cuerpo se mueve
con movimiento rotatorio o acelerado, por medio de ningún
fenómeno mecánico y electromagnético
acaecido dentro de ese cuerpo se puede saber si ese cuerpo
está en reposo o en movimiento. Todo movimiento en el
universo es relativo. Si se acelera la velocidad de un tren o
toma una curva, sentiremos que el tren está en movimiento.
Pero bien puede suceder que sea la tierra la que frene o tome una
curva en sentido contrario al tren, quedándonos sin saber
qué se mueve, si la tierra o el tren. Por eso no se puede
hablar de un movimiento absoluto en el universo.
Según esta teoría, la trayectoria de la
luz no es rectilínea. "La luz es energía
electromagnética y, como toda energía tiene masa,
al pasar la luz cerca de los fuertes campos gravitatorios de
estrellas o planetas, será atraída y su
trayectoria, por tanto, se curvará", aclara Vélez
Correa. El universo es limitado y curvo, y todo cuerpo y figura
geométrica en el espacio no posee líneas rectas,
sino curvas, por la atracción gravitatoria. "El espacio se
curva", afirmó Einstein.
La Teoría de la Relatividad no
contradice la mecánica de Newton, y en particular las
leyes que éste estableció. Las dos teorías
hacen predicciones sobre el resultado de experimentos. Esas
predicciones difieren significativamente sólo para objetos
que se mueven muy cerca de la velocidad de la luz. Para objetos
que se mueven a velocidades normales las predicciones de la
Relatividad Especial y las obtenidas mediante las leyes
newtonianas del movimiento son idénticas. La Relatividad
Especial abarca e incluye la física newtoniana, no la
reemplaza.
A partir de la Teoría de la Relatividad General,
el espacio y el tiempo son cantidades dinámicas: cuando un
cuerpo se mueve, o una fuerza actúa, afecta a la curvatura
del tiempo, y, en contrapartida, la estructura del espacio-tiempo
afecta al modo en que los cuerpos se mueven y las fuerzas
actúan. Después de esto, la idea de un universo
inalterable fue reemplazada por el concepto de un universo
dinámico, en expansión.
La Mecánica
Cuántica
La Mecánica Cuántica, Física
Cuántica o Teoría Cuántica es
una teoría física basada en la
utilización del concepto de unidad cuántica para
describir las propiedades dinámicas de las
partículas subatómicas y las interacciones entre la
materia y la radiación. Las bases de la teoría
fueron sentadas por el físico alemán Max Planck,
que en 1900 postuló que la materia sólo puede
emitir o absorber energía en pequeñas unidades
discretas llamadas cuantos. Otra contribución
fundamental al desarrollo de la teoría fue el
Principio de Incertidumbre, formulado por el
físico alemán Werner Heisenberg, el cual sostiene
que no es posible especificar con exactitud
simultáneamente la posición y el momento lineal de
una partícula subatómica.
En los siglos XVIII y XIX, la
mecánica newtoniana o clásica parecía
proporcionar una descripción totalmente precisa de los
movimientos de los cuerpos, como por ejemplo el movimiento
planetario. Sin embargo, a finales del siglo XIX y principios del
XX, ciertos resultados experimentales introdujeron dudas sobre si
la teoría newtoniana era completa. Entre las nuevas
observaciones figuraban las líneas que aparecen en los
espectros luminosos emitidos por gases calentados o sometidos a
descargas eléctricas. Según el modelo del
átomo desarrollado a comienzos del siglo XX por el
físico neozelandés Ernest Rutherford, en el que
los electrones cargados negativamente giran en torno a un
núcleo positivo, en órbitas dictadas por las
leyes del movimiento de Newton, los científicos esperaban
que los electrones emitieran luz en una amplia gama de
frecuencias, y no en las estrechas bandas de frecuencia que
forman las líneas de un espectro.
Otro enigma para los físicos
era la coexistencia de dos teorías de la luz: la
teoría corpuscular, que explica la luz como una
corriente de partículas, y la teoría
ondulatoria, que considera la luz como ondas
electromagnéticas. Un tercer problema era la ausencia
de una base molecular para la termodinámica. El
físico estadounidense J. Willard Gibbs, en el libro
Principios elementales en mecánica
estadística (1902), reconocía la imposibilidad
de elaborar una teoría de acción molecular que
englobara los fenómenos de la termodinámica, la
radiación y la electricidad tal como se entendían
entonces.
A principios del siglo XX, los
físicos aún no reconocían claramente que
éstas y otras dificultades de la física estaban
relacionadas entre sí. El primer avance que llevó a
la solución de aquellas dificultades fue la
introducción del concepto de cuanto, por parte de Planck,
como resultado de los estudios de la radiación del cuerpo
negro realizados por los físicos en los últimos
años del siglo XIX (el término cuerpo
negro se refiere a un cuerpo o superficie ideal que absorbe
toda la energía radiante sin reflejar ninguna). Un cuerpo
a temperatura alta —al rojo vivo— emite la mayor
parte de su radiación en las zonas de baja frecuencia
(rojo e infrarrojo); un cuerpo a temperatura más alta
—al rojo blanco— emite proporcionalmente más
radiación en frecuencias más altas (amarillo, verde
o azul). Durante la década de 1890 los físicos
realizaron estudios cuantitativos detallados de esos
fenómenos y expresaron sus resultados en una serie de
curvas o gráficas. La teoría clásica, o
precuántica, predecía un conjunto de curvas
radicalmente diferentes de las observadas. Lo que hizo Planck fue
diseñar una fórmula matemática que
describiera las curvas reales con exactitud; después
dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la
fórmula. Su hipótesis fue que la energía
sólo es radiada en cuantos cuya energía es
h?, donde ? es la frecuencia de la
radiación y h es el cuanto de
acción, ahora conocido como constante de
Planck.
El enfoque teórico para explicación del
comportamiento subatómico, comenzó cuando, en 1924,
el físico francés Louis de Broglie sugirió
que no sólo la radiación electromagnética,
sino también la materia podía presentar una
dualidad onda-corpúsculo. Las ondas de materia se
concebían como ondas piloto que guiaban el movimiento de
las partículas, una propiedad que debería llevar a
que en condiciones adecuadas se produjera difracción.
Ésta se confirmó en 1927 con los experimentos sobre
interacciones entre electrones y cristales realizados por los
físicos estadounidenses Clinton Joseph Davisson y Lester
Halbert Germer y por el físico británico George
Paget Thomson. Posteriormente, los alemanes Werner Heisenberg,
Max Born y Ernst Pascual Jordan, y el austriaco Erwin
Schrödinger dieron a la idea planteada por De Broglie una
forma matemática que podía aplicarse a numerosos
fenómenos físicos y a problemas que no
podían tratarse con la física clásica.
Además de confirmar el postulado de Bohr sobre la
cuantización de los niveles de energía de los
átomos, la Mecánica Cuántica hace que en
la actualidad podamos comprender los átomos más
complejos, y también ha supuesto una importante
guía en la física nuclear. Aunque por lo
general la Mecánica Cuántica sólo se
necesita en fenómenos microscópicos (la
mecánica newtoniana sigue siendo válida para
sistemas macroscópicos), ciertos efectos
macroscópicos como las propiedades de los sólidos
cristalinos sólo pueden explicarse de forma satisfactoria
a partir de los principios de la Mecánica Cuántica.
"La teoría cuántica es importante principalmente en
conexión con la estructura y la conducta de los
átomos", señala Bertrand Russell.
Desde entonces se han incorporado nuevos
conceptos importantes al panorama de la Mecánica
Cuántica, más allá de la idea De Broglie
sobre la dualidad onda-corpúsculo de la materia. Uno de
estos conceptos es que los electrones deben tener un cierto
magnetismo permanente y por tanto un momento angular
intrínseco o espín. Después se
comprobó que el espín es una propiedad
fundamental de casi todas las partículas elementales.
En 1925, el físico austriaco Wolfgang Pauli expuso el
Principio de Exclusión, que afirma que en un
átomo no puede haber dos electrones con el mismo conjunto
de números cuánticos (hacen falta cuatro
números cuánticos para especificar completamente el
estado de un electrón dentro de un átomo). El
principio de exclusión es vital para comprender la
estructura de los elementos y de la tabla periódica. En
1927, Heisenberg postuló el Principio de
Incertidumbre, que afirma la existencia de un límite
natural a la precisión con la que pueden conocerse
simultáneamente determinados pares de magnitudes
físicas asociadas a una partícula (por ejemplo, la
cantidad de movimiento y la posición).
En 1928 el físico matemático
británico Paul Dirac realizó una síntesis de
la Mecánica Cuántica y la relatividad, que le
llevó a predecir la existencia del positrón y
culminó el desarrollo de la Mecánica
Cuántica. "La teoría cuántica, en contraste
con la teoría de la relatividad, se ocupa principalmente
de las cosas más pequeñas acerca de las cuales
puede haber conocimiento, a saber, los átomos y su
estructura", aclara Bertrand Russell.
La Mecánica Cuántica sostiene que las
partículas ya no poseen posiciones y velocidades definidas
por separado, pues éstas no podrían ser observadas.
En vez de ello, las partículas tienen un estado
cuántico, que es una combinación de posición
y velocidad. Se conoce como un sistema de teorías en el
cual las partículas no tienen posiciones ni velocidades
determinadas, sino que se comportan, en cierto modo, como ondas.
Como el estudio del comportamiento observable de las
partículas, incluyendo la radiación
electromagnética con todos sus detalles. Sobre todo, es la
única teoría apropiada para describir los efectos
que tienen lugar a escala atómica.
La Mecánica Cuántica no predice un
único resultado de cada observación. En su lugar,
predice un cierto número de resultados posibles y nos da
las posibilidades de cada uno de ellos. Es decir, si se realizara
la misma medida sobre un gran número de sistemas
similares, con las mismas condiciones de partida en cada uno de
ellos, se encontraría que el resultado de la medida
sería A un cierto número de veces, B otro
número diferente de veces, y así sucesivamente. Se
podría decir que el número aproximado de veces que
se obtendría el resultado A o el B, pero no se
podría decir el resultado específico de una medida
concreta. Así pues, la Mecánica Cuántica
introduce un elemento inevitable de incapacidad de
predicción, una aleatoriedad de la ciencia. En
términos claros: el mundo estaría gobernado por
el azar, a pesar de que Einstein afirmara que "Dios no
juega a los dados".
La Mecánica Cuántica se opone al
determinismo causalista. Como sabemos, el determinismo es la
doctrina que considera que el estado del mundo, en un momento
dado, es el efecto de un estado anterior y la causa de un estado
futuro. La nueva mecánica ha sumido en profunda crisis el
principio de causalidad, o sea la relación entre dos
elementos o conceptos, en cuya virtud el segundo (efecto) procede
del primero (causa), al afirmar que la probabilidad es la
única noción fundamental en la que basar una
explicación de lo real. "Por eso los pensadores actuales
tienden a sustituir el concepto de causalidad por los de
condición y condicionamiento" (Nueva Enciclopedia
Temática Planeta).
La teoría cuántica ha eliminado la
distinción entre ondas y partículas. "Newton
pensaba que la luz consiste en partículas que emite la
fuente luminosa; Huyegens pensaba que está formada por
ondas. La opinión de Huygens prevaleció, y hasta
hace poco se pensó que se hallaba definitivamente
establecida. Pero nuevos hechos experimentales parecen requerir
que la luz esté compuesta de partículas, a las que
llamó "fotones". Por el contrario, De Broglie
sugirió que la materia está formada por ondas.
Finalmente, se ha demostrado que en la física todo
puede explicarse por la hipótesis corpuscular tanto como
por la hipótesis ondulatoria. Por lo tanto, no hay
diferencia física entre una y otra, y puede adoptarse
cualquiera de ellas en cualquier problema, según sea
más conveniente", precisa Russell.
Supongamos, por ejemplo, que deseamos determinar la
posición y la velocidad de una partícula en un
momento determinado: si obtenemos un valor bastante exacto para
la posición, habrá un error grande en la velocidad,
y si determinamos con bastante precisión la velocidad,
habrá un error grande en lo que respecta a la
posición. "Algo similar ocurrirá con lo
concerniente a la energía y el tiempo: si medimos muy
exactamente la energía, será grande el margen de
incertidumbre en la determinación del tiempo en que el
sistema tiene esa energía, mientras que si determinamos el
tiempo con mucha exactitud, la energía se hará
incierta dentro de límites amplios", agrega
Russell.
Las partículas cuánticas sólo se
pueden definir como un conjunto de relaciones internas entre su
estado "actual" y "virtual". En ese sentido son puramente
dialécticas. La medición de estas partículas
de una u otra manera sólo nos lleva a conocer su estado
"actual" que es sólo un aspecto del todo. Se denomina el
"colapso de la función onda", y se expresa en el principio
de indeterminación.
Aportes de Einstein
Algunos de los avances importantes en la
teoría cuántica se debieron a Albert Einstein, que
empleó el concepto del cuanto introducido por Planck para
explicar determinadas propiedades del efecto
fotoeléctrico, un fenómeno experimental en el que
una superficie metálica emite electrones cuando incide
sobre ella una radiación.
Según la teoría clásica,
la energía de los electrones emitidos —medida por la
tensión eléctrica que generan— debería
ser proporcional a la intensidad de la radiación. Sin
embargo, se comprobó que esta energía era
independiente de la intensidad —que sólo determinaba
el número de electrones emitidos— y dependía
exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto
mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es
la energía de los electrones; por debajo de una
determinada frecuencia crítica, no se emiten electrones.
Einstein explicó estos fenómenos suponiendo que un
único cuanto de energía radiante expulsa un
único electrón del metal. La energía del
cuanto es proporcional a la frecuencia, por lo que la
energía del electrón depende de la
frecuencia.
El aporte de Bohr
En 1911 Rutherford estableció la
existencia del núcleo atómico. A partir de los
datos experimentales de la dispersión de partículas
alfa por núcleos de átomos de oro, supuso que
cada átomo está formado por un núcleo
denso y con carga positiva, rodeado por electrones cargados
negativamente que giran en torno al núcleo como los
planetas alrededor del Sol. La teoría
electromagnética clásica desarrollada por el
físico británico James Clerk Maxwell
predecía inequívocamente que un electrón que
girara en torno a un núcleo radiaría continuamente
energía electromagnética hasta perder toda su
energía, y acabaría cayendo en el núcleo.
Por tanto, según la teoría clásica, el
átomo descrito por Rutherford sería inestable. Esta
dificultad llevó al físico danés Niels Bohr
a postular, en 1913, que la teoría clásica no es
válida en el interior del átomo y que los
electrones se desplazan en órbitas fijas. Cada cambio
de órbita de un electrón corresponde a la
absorción o emisión de un cuanto de
radiación.
La aplicación de la teoría
de Bohr a átomos con más de un electrón
resultó difícil. Las ecuaciones matemáticas
para el siguiente átomo más sencillo, el de helio,
fueron resueltas durante la segunda y tercera década del
siglo XX, pero los resultados no concordaban exactamente con los
datos experimentales. Para átomos más complejos
sólo pueden obtenerse soluciones aproximadas de las
ecuaciones, y se ajustan sólo parcialmente a las
observaciones.
El aporte de la Mecánica
Ondulatoria
El físico francés Louis
Victor de Broglie sugirió en 1924 que, puesto que las
ondas electromagnéticas muestran algunas
características corpusculares, las partículas
también deberían presentar en algunos casos
propiedades ondulatorias. Esta predicción fue verificada
experimentalmente pocos años después por los
físicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Halbert
Germer y el físico británico George Paget Thomson,
quienes mostraron que un haz de electrones dispersado por un
cristal da lugar a una figura de difracción
característica de una onda. El concepto ondulatorio de las
partículas llevó al físico austriaco Erwin
Schrödinger a desarrollar una ecuación de
onda para describir las propiedades ondulatorias de una
partícula y, más concretamente, el comportamiento
ondulatorio del electrón en el átomo de
hidrógeno.
Aunque esta ecuación diferencial
era continua y proporcionaba soluciones para todos los puntos del
espacio, las soluciones permitidas de la ecuación estaban
restringidas por ciertas condiciones expresadas por ecuaciones
matemáticas llamadas funciones propias o "eigenfunciones"
(del alemán eigen, "propio"). Así, la
ecuación de onda de Schrödinger sólo
tenía determinadas soluciones discretas; estas soluciones
eran expresiones matemáticas en las que los números
cuánticos aparecían como parámetros (los
números cuánticos son números enteros
introducidos en la física de partículas para
indicar las magnitudes de determinadas cantidades
características de las partículas o sistemas). La
ecuación de Schrödinger se resolvió para el
átomo de hidrógeno y dio resultados que encajaban
sustancialmente con la teoría cuántica anterior.
Además, tenía solución para el átomo
de helio, que la teoría anterior no había logrado
explicar de forma adecuada, y también en este caso
concordaba con los datos experimentales. Las soluciones de la
ecuación de Schrödinger también indicaban que
no podía haber dos electrones que tuvieran sus cuatro
números cuánticos iguales, esto es, que estuvieran
en el mismo estado energético. Esta regla, que ya
había sido establecida empíricamente por Wolfgang
Pauli en 1925, se conoce como Principio de
Exclusión.
El aporte de la Mecánica de
Matrices
De forma simultánea con el
desarrollo de la mecánica ondulatoria, Heisenberg
desarrolló un análisis matemático diferente
conocido como mecánica de matrices. La teoría de
Heisenberg, elaborada en colaboración con los
físicos alemanes Max Born y Ernst Pascual Jordan, no
empleaba una ecuación diferencial, sino una matriz
infinita formada por infinitas filas compuestas a su vez de un
número infinito de cantidades. La mecánica de
matrices introdujo las matrices infinitas para representar la
posición y el momento lineal en el interior de un
átomo. Existen otras matrices, una para cada una de las
restantes propiedades físicas observables asociadas con el
movimiento de un electrón, como la energía o el
momento angular. Estas matrices, igual que las ecuaciones
diferenciales de Schrödinger, podían resolverse; en
otras palabras, podían manipularse para predecir las
frecuencias de las líneas del espectro del
hidrógeno y otras cantidades observables. Al igual que la
mecánica ondulatoria, la mecánica de matrices
coincidía con la teoría cuántica anterior en
los procesos en que dicha teoría concordaba con los
experimentos, y también explicaba fenómenos que la
teoría anterior no podía explicar.
Significado de la Mecánica
Cuántica
Schrödinger demostró que la
mecánica ondulatoria y la mecánica de matrices son
versiones matemáticas diferentes de una misma
teoría, hoy denominada Mecánica
Cuántica. Incluso en el caso del átomo de
hidrógeno, formado por sólo dos partículas,
ambas interpretaciones matemáticas son muy complejas. El
siguiente átomo más sencillo, el de helio, tiene
tres partículas, e incluso en el sistema matemático
relativamente sencillo de la dinámica clásica, el
problema de los tres cuerpos (la descripción de las
interacciones mutuas de tres cuerpos distintos) no se puede
resolver por completo. Sin embargo, sí es posible calcular
los niveles de energía. Al aplicar la matemática
mecanocuántica a situaciones complejas, los físicos
pueden emplear alguna de las muchas formulaciones
matemáticas. La elección depende de la conveniencia
de la formulación para obtener soluciones aproximadas
apropiadas.
Aunque la Mecánica Cuántica
describe el átomo exclusivamente a través de
interpretaciones matemáticas de los fenómenos
observados, puede decirse a grandes rasgos que en la actualidad
se considera que el átomo está formado por un
núcleo rodeado por una serie de ondas estacionarias; estas
ondas tienen máximos en puntos determinados, y cada onda
estacionaria representa una órbita. El cuadrado de la
amplitud de la onda en cada punto en un momento dado es una
medida de la probabilidad de que un electrón se encuentre
allí. Ya no puede decirse que un electrón
esté en un punto determinado en un momento
dado.
La Mecánica Cuántica se dedica
exclusivamente a lo que se puede observar, no intenta explicar lo
que ocurre entre las medidas tomadas. No así las
teorías clásicas, que de hecho son descripciones
completas de lo que ocurre, se mida o no. En la Mecánica
Cuántica el experimentador forma parte directa de la
teoría. Se predicen todos los valores posibles de una
medición, pero cuando de hecho se realiza un experimento,
no se predice el valor concreto del resultado. Sólo se
puede conocer la probabilidad de lo que va a ocurrir. En algunos
experimentos ocurre algo que es mucho más probable que las
demás posibilidades, por lo tanto en la mayoría de
las ocasiones será el resultado, pero de tanto en tanto
ocurrirá algo menos probable. Es imposible predecir lo que
va a ocurrir; la única manera de descubrirlo es haciendo
las medidas adecuadas. Lo que se mide depende de si se sabe
cuál de los caminos posibles se ha tomado. Así
cualquier conocimiento adicional, que sólo se puede
obtener tomando una medida adicional, cambia el resultado del
primer experimento.
La Mecánica Cuántica le ha proporcionado a
la ciencia de la naturaleza una técnica excepcional para
investigar los fenómenos atómicos y
subatómicos y se puede considerar como una de las
conquistas más seguras y notables de la nueva
física. Según Einstein, el diminuto mundo
cuántico contiene objetos tan reales como las mesas y las
sillas, y sólo se diferencian de los de nuestra vida
diaria por sus magnitudes.
La Mecánica Cuántica ha permitido explicar
un círculo amplísimo de fenómenos en
física, en química y en biología. Como
quiera que la Mecánica Cuántica, en
comparación con la física clásica, hace
referencia a un nivel más profundo de la materia, ha
planteado con mayor hondura problemas filosóficos como el
de la relación entre el sujeto y el objeto, el del
conocimiento y la realidad física, el de la causalidad y
la necesidad, el de determinismo e indeterminismo, el de la
evidencia física y el formalismo matemático,
etc. La distinción filosófica de tales problemas se
revela directamente en la diferente interpretación de los
rasgos específicos de la Mecánica Cuántica,
ante todo de la función de honda.
La gran contribución que representa la
física cuántica también ha abierto una serie
de problemas de interpretación; por ejemplo, el Principio
de Indeterminación ha dado lugar a innumerables debates de
orden metodológico-filosófico; pero estos debates
han significado un valioso aporte a la cultura del siglo XX, por
cuanto les probaron a los físicos la importancia de un
minucioso examen del significado de las teorías y la
necesidad de una nueva y cabal colaboración entre ciencia
y filosofía, no surgida de las generalizaciones
metafísicas de las teorías científicas, sino
resultado de la profundización en sus bases más
recónditas.
Según consideraciones del brillante
científico inglés Stephen W. Hawking, en la
Mecánica Cuántica se basan casi toda la ciencia y
la tecnología modernas. Gobierna el comportamiento de los
transistores y de los integrados, que son los componentes
esenciales de los aparatos electrónicos, tales como
televisores y ordenadores, y también la base de la
química y de la biología modernas. Está
basada en una descripción matemática completamente
nueva, que ya no describe al mundo real en términos de
partículas y ondas; sólo las observaciones del
mundo pueden ser descritas en esos términos. Se ocupa de
los fenómenos a escala extremadamente pequeñas,
tales como la billonésima de un
centímetro.
La Mecánica Cuántica no tiene nada que ver
con cosas o con algo que se pueda palpar o modelar con nuestras
manos. Únicamente permite a los científicos
relacionar entre sí diferentes observaciones en los
átomos o en materias todavía más
pequeñas. Hay que considerar esta disciplina como un
método de solución matemático, como un
procedimiento con el que armonizar entre sí estas
observaciones.
El mismo Einstein llegó a decir que la
Mecánica Cuántica logró explicar una buena
parte de la verdad, por lo cual debería ser considerada
como piedra de toque del cualquier fundamento teórico
futuro.
Resultados de la Mecánica
Cuántica
La Mecánica Cuántica resolvió
todas las grandes dificultades que preocupaban a los
físicos en los primeros años del siglo XX.
Amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la
materia y proporcionó una base teórica para la
comprensión de la estructura atómica y del
fenómeno de las líneas espectrales: cada
línea espectral corresponde a la emisión o
absorción de un cuanto de energía o fotón,
cuando un electrón experimenta una transición entre
dos niveles de energía. La comprensión de los
enlaces químicos se vio radicalmente alterada por la
Mecánica Cuántica y pasó a basarse en las
ecuaciones de onda de Schrödinger. Los nuevos campos de la
física —como la física del estado
sólido, la física de la materia condensada, la
superconductividad, la física nuclear o la física
de partículas elementales— se han apoyado firmemente
en la Mecánica Cuántica.
Avances posteriores
Desde 1925 no se han encontrado
deficiencias fundamentales en la Mecánica Cuántica,
aunque se ha debatido si la teoría debe o no considerarse
completa. En la década de 1930, la aplicación de la
Mecánica Cuántica y la relatividad especial a la
teoría del electrón permitió al
físico británico Paul Dirac formular una
ecuación que implicaba la existencia del espín del
electrón. También llevó a la
predicción de la existencia del positrón, que fue
comprobada experimentalmente por el físico estadounidense
Carl David Anderson.
La aplicación de la Mecánica
Cuántica al ámbito de la radiación
electromagnética consiguió explicar numerosos
fenómenos como la radiación de frenado (emitida por
los electrones frenados por la materia) y la producción de
pares (formación de un positrón y un
electrón cuando la energía electromagnética
interactúa con la materia). Sin embargo, también
llevó a un grave problema, la denominada dificultad de
divergencia: determinados parámetros, como las llamadas
masa desnuda y carga desnuda de los electrones, parecen ser
infinitos en las ecuaciones de Dirac (los términos
masa desnuda y carga desnuda hacen referencia a
electrones hipotéticos que no interactúan con
ninguna materia ni radiación; en realidad, los electrones
interactúan con su propio campo eléctrico). Esta
dificultad fue parcialmente resuelta en 1947-1949 en el marco de
un programa denominado renormalización, desarrollado por
el físico japonés Shin"ichiro Tomonaga, los
físicos estadounidenses Julian S. Schwinger y Richard
Feynman y el físico estadounidense de origen
británico Freeman Dyson. En este programa se toman la masa
y carga desnudas del electrón como infinitas de modo que
otras cantidades físicas infinitas se cancelen en las
ecuaciones. La renormalización aumentó mucho la
precisión en los cálculos de la estructura de los
átomos a partir de los principios
fundamentales.
Perspectivas de futuro
La Mecánica Cuántica está
en la base de los intentos actuales de explicar la
interacción nuclear fuerte y desarrollar una teoría
unificada para todas las fuerzas fundamentales de la materia. No
obstante, existen dudas sobre si la mecánica es o no
completa. La dificultad de divergencia, por ejemplo, sólo
se ha resuelto en parte. Igual que la mecánica newtoniana
fue corregida por la Mecánica Cuántica y la
relatividad, muchos científicos —Einstein era uno de
ellos— estaban convencidos de que la Mecánica
Cuántica también experimentará cambios
profundos en el futuro. Por ejemplo, existen grandes
contradicciones teóricas entre la Mecánica
Cuántica y la teoría del caos, que empezó a
desarrollarse rápidamente en la década de 1980. Los
físicos teóricos como el británico Stephen
Hawking siguen haciendo esfuerzos para desarrollar un sistema que
englobe tanto la relatividad como la Mecánica
Cuántica.
Teoría cuántica de los
campos
Teoría cuántica de campos, teoría
formal que, mediante el procedimiento denominado de segunda
cuantificación, extiende la Mecánica
Cuántica a los campos dinámicos, proporcionando la
explicación de fenómenos que no se pueden
interpretar a la luz de la teoría clásica. La
teoría explica, por ejemplo, el proceso de creación
y absorción de partículas durante los casos de
colisión; la creación de parejas de
partículas en presencia de energía suficientemente
alta, y su consiguiente aniquilación; la energía de
punto cero, por la cual un sistema cuántico, en su estado
fundamental, posee una energía que no es nula; la
existencia de la antimateria, por la que a cada partícula
elemental corresponde una partícula igual en todo a ella,
pero diferente por la carga eléctrica o por alguna otra
propiedad cuántica, y también, en el ámbito
de la física del estado sólido, los
fenómenos de la superconductividad y de la
superfluidez.
En el modelo que ofrece la teoría cuántica
de campos, las partículas están representadas como
los estados excitados cuantizados de los campos correspondientes.
Así, en el ámbito de la electrodinámica
cuántica—la teoría surgida de la
aplicación de la teoría cuántica de campos a
la interacción electromagnética—, el
fotón y el electrón se definen como los cuantos del
campo electromagnético. La electrodinámica
cuántica fue la primera de las teorías
cuánticas de campo, formulada hacia finales de la
década de 1920 por los fundadores de la Mecánica
Cuántica. A finales de la década de los cuarenta,
los físicos estadounidenses Richard Feynman y
J. Schwinger, junto con el físico japonés
S. Tomonaga, reformularon la teoría cuántica
de campos a la luz de los principios de la relatividad,
ofreciendo una exposición relativistamente
invariante.
Las consecuencias más importantes de esta
operación fueron la previsión de la existencia de
la antimateria y la determinación de la relación
existente entre el espín de las partículas y el
tipo de estadística seguido por éste, con la
distinción entre partículas de Fermi-Dirac, o
fermiones, y partículas de Bose-Einstein, o bosones. El
éxito de la electrodinámica cuántica, debido
a la eficacia del formalismo introducido por ella y a las
numerosas confirmaciones experimentales que siguieron, indujo a
los físicos a aplicar el esquema formal de la
teoría cuántica de campos a otros tipos de
interacción (fuerzas fundamentales) conocidos en la
naturaleza. De ahí surgieron la cromodinámica
cuántica, para la interacción fuerte, y la
teoría de la interacción débil, que
confluyó pronto, junto a la electrodinámica
cuántica, con la teoría electrodébil del
físico estadounidense Steven Weinberg y del físico
paquistaní Abdus Salam. La cromodinámica
cuántica, la teoría electrodébil y la
relatividad general constituyen el denominado modelo
estándar.
Algunas dificultades de naturaleza formal, que complican
el equilibrio matemático de estas teorías de campo
—haciendo necesarios procedimientos de
"renormalización"—, junto al hecho de que falta
aún una teoría cuántica apropiada para la
interacción gravitacional, son la causa de que la
unificación de las diversas interacciones conocidas en una
única teoría denominada teoría del todo no
haya encontrado todavía una formulación
definitiva.
El Principio de Incertidumbre o Principio de
Indeterminación de la Mecánica
Cuántica
La imposibilidad de determinar
exactamente la posición de un electrón en un
instante determinado fue analizada por Heisenberg, que en 1927
formuló el Principio de Incertidumbre. Este principio
afirma que es imposible especificar con exactitud y al mismo
tiempo la posición y el momento lineal de una
partícula. En otras palabras, los físicos no
pueden medir la posición de una partícula sin
causar una perturbación en la velocidad de dicha
partícula. Se dice que el conocimiento de la
posición y de la velocidad son complementarios, es decir,
que no pueden ser precisos al mismo tiempo. Este principio
también es fundamental en la visión de la
Mecánica Cuántica que suele aceptarse en la
actualidad: los caracteres ondulatorio y corpuscular de la
radiación electromagnética pueden interpretarse
como dos propiedades complementarias de la
radiación.
Los cuerpos tienen actividades motoras
extrínsecas (impulsos exteriores causados por la
energía cinética), intrínsecas (impulsos
internos dinámicos) y no propiamente motoras (dinamismo
que tiene como resultado determinar nuestro conocimiento
sensible, conservar las estructuras dinámicas de los
átomos o crear los campos de fuerza, ya sean
gravíticos, magnéticos o eléctricos).
Según el Principio de Operación, en nuestro mundo
común (macroscópico) los cuerpos actúan
conforme a leyes constantes, rijas, determinadas. Pero, de
acuerdo con el Principio de Incertidumbre o de
Indeterminación no ocurre lo mismo en el mundo
atómico (indeterminado), porque no se pueden determinar
exactamente los efectos producidos por una causa. Las leyes
físicas del mundo macroscópico o macrofísico
no se pueden aplicar al mundo microscópico o
microfísico. ¿Por qué? En el mundo
atómico es imposible determinar simultáneamente y
con exactitud la posición de una partícula
elemental y su masa-velocidad.
El Principio de Incertidumbre sostiene que es imposible
determinar simultáneamente, con la precisión
deseada, la posición y la velocidad de una
partícula. Cuanto más cierta es la posición
de una partícula, más incierto es su momento, y
viceversa (esto también se aplica a otros pares de
propiedades específicas). La dificultad a la hora de
establecer precisamente la posición y la velocidad de una
partícula, que se mueve a 5.000 millas por segundo en
diferentes direcciones, es obvia.
La pretensión de un sujeto observador
independiente del objeto observado ya no es un supuesto
válido a la luz del Principio de Incertidumbre, el cual
sostiene que "no hay líneas generales a las que nos
podamos agarrar. Tenemos que decidir por nosotros mismos, y no
podemos decir por adelantado si lo estamos haciendo correcta o
incorrectamente". Inevitablemente, el observador modifica lo
observado. El experimentador, lo quiera o no, influye sobre
el experimento. En todo experimento, el investigador es
también causa. Lo mismo cabría decir respecto a la
caducidad del supuesto de la filosofía mecánica que
pretende reducir todo a figura y movimiento.
En lugar de las viejas certezas, ahora reina la
incertidumbre. Los movimientos aparentemente casuales de las
partículas subatómicas, con sus velocidades
inimaginables, ya no se podían expresar en los
términos de la vieja mecánica. "Cuando una ciencia
llega a un callejón sin salida, cuando ya no es capaz de
explicar los hechos, el terreno está listo para una
revolución, y el surgimiento de una nueva ciencia", afirma
un especialista en un artículo publicado en la Revista Muy
Interesante.
El Principio de Incertidumbre, que supera el
determinismo científico, sostiene que para poder predecir
la posición y la velocidad futuras de una
partícula, hay que ser capaz de medir con precisión
su posición y velocidad actuales. "Cuanto más
exactamente determinada está la posición de un
fotón (o de una partícula en general), tanto
más indeterminada está su cantidad de movimiento, y
viceversa". (Si bien los dos conceptos de posición y
cantidad de movimiento tienen, separadamente, un significado
físico preciso, no pueden ser atribuidos
simultáneamente con precisión a la misma
partícula).
Según el principio de Incertidumbre, hay un
límite teórico para la exactitud con que pueden
medirse simultáneamente ciertas magnitudes relacionadas
entre sí. "Cuando se especifica el estado de un sistema
físico, existen ciertos pares de magnitudes conexas; uno
de tales pares en la posición y el momento (o velocidad,
en tanto la masa sea constante); otro es la energía y el
tiempo", afirma Bertrand Russell.
Este revolucionario principio sostiene que es imposible
medir simultáneamente de forma precisa la posición
y el momento lineal de una partícula, por ejemplo, un
electrón. Plantea que el hombre jamás
podrá tener certeza de absolutamente nada, porque la sola
observación de un fenómeno ya altera el
fenómeno. Asegura que si se determina con mayor
precisión una de las cantidades, se perderá
precisión en la medida de la otra. En la escala de las
cosas más pequeñas no se pueden obtener hallazgos
objetivos precisos. El campo subatómico es, en principio,
incierto. Si no puedo decir dónde se encuentra exactamente
una partícula en un momento determinado, también
tendré dificultades para denominar la causa y el efecto,
en el sentido de la antigua mecánica.
La incertidumbre es muy pequeña, y resulta
despreciable en mecánica clásica. En cambio, en la
Mecánica Cuántica las predicciones precisas de la
mecánica clásica se ven sustituidas por
cálculos de probabilidades. En otras palabras, cuanto
mayor precisión se trate de medir la posición de la
partícula, con menor exactitud se podrá medir su
velocidad, y viceversa. "Según este postulado, no se puede
fijar con exactitud la posición en el espacio de una
partícula, como puede ser el caso del electrón.
Siempre existe una incertidumbre sobre su ubicación
espacial. Ello se debe a que si se calcula el lugar donde se
encontraría, no obtiene un valor exacto para el impulso
del que depende su movimiento. Esto quiere decir sencillamente
que no podemos saber nada más sobre dónde
estará la partícula en el momento siguiente. Y
viceversa, si calculamos el impulso nos quedaremos sin conocer el
lugar en el que se encuentre en dicho momento", aclara el
científico Paul Davies, en un artículo publicado en
la revista Muy Interesante (No. 97). Resulta imposible medir la
posición y la velocidad simultáneamente. En
consecuencia, ciertas parejas de cantidades, como la
posición y velocidad de una partícula, no pueden
predecirse con completa precisión. En la
Mecánica Cuántica todo es incierto, impreciso.
Todo lo que nos proporciona ésta son probabilidades
estadísticas.
El Principio de Incertidumbre es una propiedad
fundamental, ineludible, del mundo. Implica que las
partículas se comportan en algunos aspectos como ondas: no
tienen una posición bien definida, sino que están
esparcidas con una cierta distribución de probabilidad.
Tiene profundas implicaciones sobre el modo que tenemos de ver el
mundo. Marcó el final del sueño de Laplace de una
teoría de la ciencia, un modelo del universo que
sería totalmente determinista: ciertamente, ¡no se
pueden predecir los acontecimientos futuros con exactitud si ni
siquiera se puede medir el estado presente del universo de forma
precisa! El Principio de Incertidumbre significa que el universo
es más complejo de lo que se suponía, pero no
irracional.
El Principio de Incertidumbre dice que los cambios
provocados por el acto de medir imposibilitan saberlo todo acerca
de la partícula cuántica con precisión; que
no se puede, por ejemplo, saber con exactitud la
posición en que se encuentra la partícula
cuántica y la velocidad a la que se mueve. Supone
que no se puede establecer nunca con exactitud la
posición y velocidad de una partícula; cuanto
mejor se conoce una de ellas, peor se conoce la otra. Por tanto,
si se mide la posición de una partícula
minúscula con más y más precisión, de
manera que la probabilidad de error decrezca, la incertidumbre
con respecto a la velocidad aumentará. El acto de medir
transforma el objeto medido, de modo que siempre se tendrá
una incertidumbre sobre algo.
El Principio de Incertidumbre cuenta con amplias
implicaciones filosóficas. Si el observador forma parte
del proceso de observación, entonces la objetividad, como
ha sido entendida desde hace mucho tiempo, ya no es un concepto
válido. Cualquier observador debe percatarse de que su
presencia forma parte de la historia. La objetividad y las
nociones de verdad son cuestionadas. Las implicaciones
filosóficas de la indeterminación crearon una
fuerte corriente de misticismo entre algunos científicos,
que interpretaron que el concepto derribaba la idea tradicional
de causa y efecto. Hoy, muchos físicos
cuánticos llegan a preguntarse si nuestra conciencia ha
creado la realidad del universo, ya que su papel es crucial
en el mundo de las partículas elementales (como se deduce
del Principio de Incertidumbre o de Indeterminación). La
nueva física ha reconocido finalmente la importancia que
tiene la psique en los fenómenos subatómicos. Ello
ha contribuido a que algunos físicos vanguardistas se
interesen por conocer cuáles son los puntos de
conexión entre la física y el misticismo, e incluso
decidan introducirse en el terreno de la
parapsicología… "La física, el brillante
ejemplo de la ciencia pura y dura, que siempre se ha tenido como
un modelo para las demás, está ahora trascendiendo
la visión del mundo mecanicista y reduccionista. Nos
está conduciendo a una visión orgánica,
holística y ecológica similar a la de los
místicos, las personas psíquicas y las que tienen
experiencias transpersonales espontáneas", especifica muy
acertadamente el físico teórico Fritjof Capra.
Einstein consideraba que la incertidumbre asociada a la
observación no contradice la existencia de leyes que
gobiernen el comportamiento de las partículas, ni la
capacidad de los científicos para descubrir dichas
leyes.
El Principio de Incertidumbre afectó
profundamente al pensamiento de los físicos y los
filósofos. Ejerció una influencia directa sobre la
cuestión filosófica de "causalidad" (es decir, la
relación de causa y efecto). Pero sus implicaciones para
la ciencia no son las que se suponen por lo común. Se lee
a menudo que el Principio de Incertidumbre anula toda certeza
acerca de la naturaleza y muestra que, al fin y al cabo, la
ciencia no sabe ni sabrá nunca hacia dónde se
dirige, que el conocimiento científico está a
merced de los caprichos imprevisibles de un universo donde el
efecto no sigue necesariamente a la causa. Tanto si esta
interpretación es válida desde el ángulo
visual filosófico como si no, el Principio de
Incertidumbre no ha conmovido la actitud del científico
ante la investigación. Si, por ejemplo, no se puede
predecir con certeza el comportamiento de las moléculas
individuales en un gas, también es cierto que las
moléculas suelen acatar ciertas leyes, y su conducta es
previsible sobre una base estadística, tal como las
compañías aseguradoras calculan con índices
de mortalidad fiables, aunque sea imposible predecir
cuándo morirá un individuo determinado.
Científicos y filósofos idealistas vienen
a plantear que la causalidad en general no existe. Es decir, que
no existen causa y efecto. Por lo tanto la naturaleza parece un
asunto totalmente sin causa, casual. El universo en su conjunto
es impredecible. No podemos estar seguros de nada. Por el
contrario, se asume que en cualquier experimento concreto, el
resultado preciso que se obtendrá es
completamente arbitrario en el sentido en que no tiene
ningún tipo de relación con ninguna otra cosa que
exista en el mundo o que nunca haya existido.
Esta posición representa la negación
completa no sólo de toda la ciencia, sino del pensamiento
racional en general. Si no hay causa ni efecto, no sólo no
es posible predecir nada; es imposible explicar nada. Tenemos que
limitarnos a describir lo que es. De hecho ni siquiera eso, ya
que ni siquiera podemos estar seguros de que exista algo fuera de
nosotros y nuestros sentidos. Esto nos lleva de cabeza a la
filosofía del Idealismo subjetivo. Nos recuerda el
argumento de los sofistas de la Grecia antigua: "No puedo conocer
nada sobre el mundo. Si puedo conocer algo, no puedo
comprenderlo. Y si puedo comprenderlo, no puedo
expresarlo".
El Principio de Incertidumbre ha sido presentado a veces
como principio de "indeterminación" e interpretado, en
términos filosóficos, bien como una
refutación del determinismo clásico en
física, bien como punto de partida de una visión
"constructivista" según la cual el estudio,
análisis o medición de los objetos no puede ser
independiente del sujeto que estudia, analiza o mide. O
todavía más drásticamente: no hay mundo
exterior objetivo independientemente del sujeto humano. La
derivación es más profunda: parte de la
convicción de que ha de romperse con la idea tan extendida
de una neta separación entre un sujeto contemplativo y un
universo indiferente o independiente de esa mirada. La
convicción es de orden ontológico: la imagen crea
la realidad, la imagen es anterior al pensamiento. Hay, pues, un
continuum entre lo que llamamos "real" y lo que llamamos
"irreal"; la llamada realidad es también una
construcción realizada desde las
imágenes.
Ciertamente, en muchas observaciones científicas,
la incertidumbre es tan insignificante comparada con la escala
correspondiente de medidas, que se la puede descartar para todos
los propósitos prácticos. Uno puede determinar
simultáneamente la posición y el movimiento de una
estrella, o un planeta, o una bola de billar, e incluso un grano
de arena con exactitud absolutamente satisfactoria.
Respecto a la incertidumbre entre las propias
partículas subatómicas, cabe decir que no
representa un obstáculo, sino una verdadera ayuda para los
físicos. Se la ha empleado para esclarecer hechos sobre la
radiactividad, sobre la absorción de partículas
subatómicas por los núcleos, así como otros
muchos acontecimientos subatómicos, con mucha más
racionabilidad de lo que hubiera sido posible sin el principio de
incertidumbre.
El marco de referencia del Principio de Incertidumbre es
el mundo de lo muy pequeño, el mundo de la Mecánica
Cuántica, una rama de la ciencia contemporánea
dedicada al estudio del comportamiento de los átomos y sus
componentes. Quantum significa "cantidad" o
"agrupación" y se refiere a comportamientos de
partículas subatómicas como los electrones. Las
partículas conforman la materia, como sabemos. La materia
se compone de un número inmenso de partículas muy
pequeñas. Llegó al mundo para que la vida, la
evolución, la conciencia y el tiempo pudieran
desarrollarse. Sin tiempo, no hay noción; sin
noción, no hay conciencia, y sin conciencia, no hay
evolución. Su comportamiento no se puede explicar por
medio de la física clásica, puesto que en la
mecánica normal no hay nada equivalente a
partículas subatómicas. Según el
científico Paul Davies, "muchos podrán pensar que
el movimiento del electrón alrededor del núcleo del
átomo podría compararse con la órbita que
describe un planeta alrededor del sol. En el caso del
electrón, a diferencia del movimiento predecible de un
planeta, su trayectoria no está definida con
precisión. La partícula parece estar difuminada y
repartida por todo el átomo, por lo que se puede encontrar
en principio también en cualquier parte de sus dominios,
aunque en cada caso con una diferente probabilidad". No es de
ninguna ayuda hablar del comportamiento de electrones en los
átomos como si fueran planetas diminutos que giran
alrededor del sol.
La Teoría del Caos
La Teoría del Caos se ocupa de los sistemas
que presentan un comportamiento impredecible y aparentemente
aleatorio aunque sus componentes estén regidos por
leyes estrictamente deterministas. Desde sus comienzos en la
década de 1970, la Teoría del Caos se ha convertido
en uno de los campos de investigación matemática
con mayor crecimiento. Hasta ahora, la física, incluso si
se consideran las ramificaciones avanzadas de la teoría
cuántica, se ha ocupado principalmente de sistemas en
principio predecibles, al menos a gran escala; sin embargo, el
mundo natural muestra tendencia al comportamiento caótico.
Por ejemplo, los sistemas meteorológicos de gran
tamaño tienden a desarrollar fenómenos aleatorios
al interaccionar con sistemas locales más complejos. Otros
ejemplos son la turbulencia en una columna de humo que asciende o
el latido del corazón humano.
Durante mucho tiempo, los científicos carecieron
de medios matemáticos para tratar sistemas
caóticos, por muy familiares que resultaran, y
habían tendido a evitarlos en su trabajo teórico. A
partir de la década de 1970, sin embargo, algunos
físicos comenzaron a buscar formas de encarar el caos. Uno
de los principales teóricos fue el físico
estadounidense Mitchell Feigenbaum, que determinó ciertos
esquemas recurrentes de comportamiento en los sistemas que
tienden hacia el caos, esquemas que implican unas constantes
ahora conocidas como números de Feigenbaum. Los esquemas
del caos están relacionados con los que se observan en la
geometría fractal, y el estudio de sistemas
caóticos tiene afinidades con la teoría de
catástrofes.
Tratando de comprender estas
complejidades
Con el ánimo de tener un poco de claridad en tan
complejas teorías, veamos el argumento de la novela
Uno, de Richard Bach, la cual nos aporta una tenue luz
al respecto:
Cuando los esposos Bach (Richard Bach y Leslie Parrish)
se dirigían a participar en una reunión de
investigadores que exploraban las regiones limítrofes
del pensamiento creativo: ciencia y conciencia, guerra y paz, el
futuro de un planeta, extrañamente se
desvaneció el entorno, quedando éstos fuera del
espacio y del tiempo. Los dos volaban en su hidroavión
sobre la ciudad de Los Ángeles, cuando escucharon una
especie de gemido, seguido de un relámpago de luz
amarrilla, una onda expansiva a su alrededor, y luego
desapareció la ciudad y todo se desvaneció,
quedando sólo el firmamento y el mar azul.
En estas circunstancias realizaron diversas visitas a
varios sitios, penetrando en mundos y vidas paralelas, para
encontrarse con su pasado y su futuro, donde dialogaron,
compartieron e interactuaron con algunas personas (incluso con
sus "yo alternativos" más jóvenes y
más viejos) y reflexionaron sobre la intuición, el
sentido de vida, las ideas, el indeterminismo, el destino, el
tiempo, las elecciones, la guerra, la paz, los talentos, el amor,
el yo alternativo, el miedo, el armamentismo, la vejez, la
muerte, la patria, la responsabilidad, los mundos alternativos,
la vida, la juventud y el poder de decidir por sí
mismos.
Estuvieron fuera del espacio y el tiempo durante tres
meses en esas circunstancias, sin saber con precisión si
estaban vivos o muertos, despiertos o soñando, viviendo
una realidad o imaginándola. "Permanecimos suspendidos en
pleno aire durante tres meses, encerrados en una dimensión
donde no existe el tiempo ni el espacio, aunque a veces parece
que sí existen, y hemos descubierto que todas las personas
son aspectos distintos de todas las demás personas porque
la conciencia es una, y además el futuro del mundo es
subjetivo y nosotros determinamos que va ocurrirle al mundo
según las elecciones que pongamos en práctica para
nosotros mismos…"
Descubrieron que todos somos uno. Las personas
sólo se diferencian entre sí por ser expresiones
libres de una misma unidad. Todo el mundo tiene un infinito
número de vidas y todas se desarrollan
simultáneamente. "A cada instante, el mundo que conocemos
se divide en un número infinito de otros universos, con
distintos futuros y distintos pasados". Todo el mundo tiene un
infinito número de vidas y se desarrollan
simultáneamente.
Reconocieron que, a pesar de los misterios, en el mundo
nada era nuevo. "Nosotros no hemos realizado ningún nuevo
descubrimiento. Cualquiera que haya leído algo de
Mecánica Cuántica, cualquiera que haya jugado con
el gato de Schrödinger… para los físicos la
distinción entre pasado, presente y futuro no era
más que una ilusión, por muy pertinaz que sea… La
luz se dobla: el espacio se alabea; un reloj en un cohete
funciona más despacio que el mismo reloj en casa; divide
una partícula y obtendrás dos del mismo
tamaño que la inicial; dispara tu rifle a la velocidad de
la luz, y la bala no saldrá del
cañón…" Richard reconoció que por eso
era que le fascinaba la física, la Mecánica
Cuántica y la inexistencia del tiempo. Aceptó que
no hay vidas pasadas, ni vidas futuras, ni nada predeterminado.
Que el destino nos empuja sólo a donde uno quiera y
depende de nosotros, que somos quienes decidimos. Richard
reflexionó que si los psíquicos que tratan de
recordar vidas siguen el rumbo que creen correcto, por qué
no utilizar ese poder para viajar a otros mundos
alternativos.
El cuento del escritor argentino Jorge Luis Borges,
titulado El jardín de los senderos que se
bifurcan, es un relato policial que ha sido utilizado como
explicación de una teoría de Física
Cuántica sobre las paradojas del Principio de
Indeterminación.
Consecuencias de los
revolucionarios planteamientos
Muchas de las nuevas teorías y las
revolucionarias afirmaciones tuvieron sus "graves" consecuencias.
Romper con los paradigmas vigentes en cada época no fue
tan sencillo; se registraron profundas implicaciones. Salirse del
"montón" costaba sacrificios. En la antigua Grecia, la
cuna de la "democracia", hubo tropelías e infamias. Como
ejemplos se pueden citar las cometidas contra los
filósofos Anaxágoras, Aristarco de Samos y
Sócrates. ¿Por qué? Por romper con lo
establecido, pensar distinto y por sí mismos. A
Anaxágoras se le encarceló y luego se le
expulsó de Grecia, acusado de impiedad al sugerir que el
Sol era una piedra caliente y la Luna procedía de la
Tierra. ¡Qué ironía! Algunos
científicos actuales sostienen que la Luna surgió
de la Tierra, tal como lo había afirmado Anaxágoras
hace más de 2500 años. Aristarco de Samos estuvo a
punto de ir a prisión en el año 250 A. de C. por
haber afirmado que la tierra no era el centro del universo, sino
que viajaba alrededor del sol en compañía de otros
planetas. Sócrates fue condenado a beber cicuta. Su
palabra y su ejemplo generaron una auténtica
revolución espiritual, que concitó la enemistad de
muchos dirigentes. Se le acusó de impiedad y de corromper
a la juventud. Cuestionó nada más y nada menos que
a los dioses tradicionales griegos, que robaban, mentían,
engañaban, mataban y jugaban con el destino de los
hombres. Los amos del poder resolvieron "eliminarlo" porque
cuestionaba todo aquello que los demás daban por sentado o
preferían no cuestionar. Murió como mártir
del pensamiento libre.
Pedro Abelardo, filósofo y teólogo
francés (1079-1142), fue castrado y perseguido por haberse
casado con Eloisa, sobrina de Fulbert, canónigo de la
catedral de Notre Dame en París, por escribir un tratado
sobre la trinidad, por sus escritos y enseñanzas
racionalistas y escéptica, y porque sus métodos
dialécticos eran "peligrosos y poco respetuosos con los
dogmas de la fe".
El filósofo francés Renato Descartes, una
de las mentes más brillantes y geniales en la historia del
pensamiento, también fue objeto de persecuciones por
pensar distinto en una época de dogmatismos sobre todo
religiosos. Al respecto, en el prólogo al Discurso del
método (librodot.com) encontramos lo siguiente: "Su
nombre fue pronto celebérrimo y su persona y su doctrina
pronto fueron combatidas… Uno de los adeptos del
cartesianismo, Leroy, empezó a exponer en la Universidad
de Utrecht los principios de la filosofía nueva.
Protestaron violentos los peripatéticos, y emprendieron
una cruzada contra Descartes. El rector Voetius acusó a
Descartes de ateísmo y de calumnia. Los magistrados
intervinieron, mandando quemar por el verdugo los libros que
contenían la nefasta doctrina. La intervención del
embajador de Francia logró detener el proceso. Pero
Descartes hubo de escribir y solicitar en defensa de sus
opiniones, y aunque al fin y al cabo obtuvo reparación y
justicia, esta lucha cruel, tan contraria a su modo de ser
pacífico y tranquilo, acabó por hastiarle y
disponerle a aceptar los ofrecimientos de la reina Cristina de
Suecia… Comenzó entonces una fuerte
persecución contra el cartesianismo. El día del
entierro disponíase el P. Lallemand, canciller de la
Universidad, a pronunciar el elogio fúnebre del
filósofo, cuando llegó una orden superior
prohibiendo que se dijera una palabra. Los libros, de Descartes,
fueron incluidos en el índice, si bien con la reserva de
donec corrigantur. Los jesuitas excitaron la Sorbona
contra Descartes, y pidieron al Parlamento la proscripción
de su filosofía. Algunos conocidos clérigos
hubieron de sufrir no poco por su adhesión a las ideas
cartesianas. Durante no poco tiempo fue crimen en Francia el
declararse cartesiano". Tan contundente sería la
persecución en vida que debió "acudir" a Dios para
fundamentar la realidad… Como un hombre inteligente no
quiso exponer su cabeza a la intolerancia de la Iglesia
Católica. ¡Qué difícil era pensar
diferente en tiempos de oscurantismo!
Los descubrimientos y las afirmaciones de
Copérnico, Kepler, Galileo y Newton, que destruyeron la
antigua imagen sobre la posición de la tierra en el
espacio, tuvieron serios inconvenientes. Galileo, para citar a
sólo uno de éstos, al asegurar que nuestro planeta
giraba alrededor del sol, fue perseguido por la Iglesia, debido a
que contradecía la exposición teológica de
la Biblia de que la tierra era el centro de la creación.
Por sus descubrimientos y planteamientos fue recluido en
prisión; gracias a que se retractó
públicamente, no murió a manos de la oprobiosa e
infame institución conocida como la "Santa"
Inquisición. Sólo hasta en el siglo XX la Iglesia
reconoció tan absurdo vejamen e infamia. Galileo fue
criticado y estuvo a punto de ser quemado "al demostrar que parte
de la física y la astronomía aristotélicas
estaban equivocadas por completo, estaba sosteniendo sin
proponérselo que las doctrinas católicas romanas
asociadas también lo estaban, lo cual constituía un
crimen capital en aquel tiempo" (Más Platón y
Menos Prozac, de Lou Marinoff).
Sobre la persecución a Galileo, la
Enciclopedia Microsoft Encarta, precisa lo
siguiente:
En 1623 publicó Diálogo
sobre los dos principales sistemas del mundo, obra en la
que, además de defender el sistema heliocéntrico,
arremetía contra sus enemigos. A pesar del apoyo del papa
Urbano VIII, el libro fue prohibido en 1632 y Galileo citado ante
el tribunal de la Inquisición, con el fin de procesarle
bajo la acusación de "sospecha grave de
herejía".
Tras ser encarcelado, en 1633 fue sometido a
un juicio severísimo en el que, temiendo ser torturado y
condenado a la hoguera, se retractó (abjuró) de sus
ideas. Lo hizo de rodillas, aunque al levantarse murmuró
su famosa frase: "E pur si muove" (Y sin embargo
—la Tierra— se mueve —alrededor del
Sol).
Fue condenado a prisión perpetua,
aunque debido a su enorme prestigio, se le conmutó la pena
por la de vivir el resto de su vida recluido en su casa. Los
ejemplares del Diálogo fueron quemados y la
sentencia se leyó públicamente en todas las
universidades de Italia.
Vivió recluido en una villa de
Florencia hasta su muerte, en 1642. En su última obra,
Diálogo sobre dos nuevas ciencias, resumió
todas sus investigaciones sobre el movimiento y la
mecánica (física); consiguió enviar el libro
a Holanda, donde fue publicado en 1638, aunque él no lo
llegó a ver, pues quedó ciego ese mismo
año.
Cuando murió, la Inquisición
no permitió que se le hiciera un funeral público.
En 1979, el papa Juan Pablo II abrió una
investigación sobre la condena eclesiástica del
astrónomo para su posible revisión. En octubre de
1992, una comisión papal reconoció el error
cometido por la Iglesia católica.
La verdadera oposición surgió en un
ambiente protestante cuando se intentó, en 1542, la
aparición de la obra de Copérnico. El
prólogo de la primera edición del "De
Revolutionibus", en 1543, fue falseado por su editor, de
manera que éste sugiere la idea de que el movimiento de la
tierra puede ser tomado con base hipotética sin
significación real.
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