“Del determinismo clásico al delirio cuántico”: ¿cómo ha cambiado nuestra imagen del mundo?

Luis García Pascual es profesor Emérito de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la UP.Comillas, Madrid, de la que fue director durante una larga etapa de más de diez años, cruciales para la consolidación cualitativa de la Escuela. En los últimos años ha sido miembro del Consejo Asesor de la Cátedra Ciencia, Tecnología y Religión, habiendo sido esta fecunda asesoría una ocasión para la reflexión en profundidad sobre la significación de los conceptos físicos y sobre su proyección filosófica.

A esta etapa de madurez responde su obra Del determinismo clásico al delirio cuántico (Publicaciones de la Universidad Comillas, Madrid, 2012), que permite el acceso al perfil científico de los grandes conceptos de la física, en su balance clásico/cuántico, como paso previo a plantearse con rigor las consecuencias filosóficas de nuestra imagen del mundo físico.

La periodización conceptual de la física

Hubo un dilatado periodo de tiempo, que se extiende desde Galileo (1564-1642) y Newton (1643-1727) hasta los inicios del siglo XX, durante el que, gracias al método científico establecido por el primero y a las tres leyes de la mecánica preconizadas por el segundo, nadie dudaba que la cinemática y la dinámica de un cuerpo, definido por su masa –como característica representativa del mismo en cualquier situación– estaban determinadas y eran las mismas para cualquier observador. Durante prácticamente dos siglos se pensó que, conociendo un estado inicial y todas las causas que pudieran influir en dicho estado, un determinismo ciego conducía a otro estado posterior totalmente predecible.

En los inicios del siglo XX, Einstein removió los cimientos de esta creencia al afirmar que ni el tiempo, ni el espacio, ni las masas, ni las velocidades, ni las aceleraciones, ni… tienen valores idénticos para distintos observadores entre los que exista movimiento. Todo es relativo para ellos excepto la velocidad de la luz c. Las bases de la cinemática y de la dinámica clásicas y de otras muchas convicciones entraban en crisis.

Por otra parte y a partir de Planck, la idea de continuidad en la energía, en la materia, en la electricidad, en…, fue sustituida por sus elementos cuánticos y, al tener que reemplazar la certeza por la probabilidad, aquella crisis de convirtió en delirio ya que una partícula, como ente corporal, podía encontrarse en Berlín o en Lima o, incluso, un gato podía estar mitad vivo, mitad muerto o…

La física clásica, de la que hemos vivido durante siglos, describió el mundo de nuestros sentidos y se formularon las leyes y fórmulas matemáticas que describían las interacciones de los objetos constituidos físicamente en el espacio tiempo macroscópico-clásico, objeto de nuestros sentidos.

Sin embargo, los conocimientos que comenzaron a producirse al buscar una explicación más profunda del mundo microfísico (a partir de Planck y de la gran transformación de la microfísica en la década de los años veinte del siglo XX) llevaron a la convicción, hoy establecida en la física, de que la materia en sus estados primigenios respondía a unas propiedades extrañas que no se cumplían en el mundo macroscópico clásico. Un mundo clásico que, no obstante, estaba producido por circunstancias especiales de la vibración (o función de onda) de un cierto tipo de partículas que en ontología última eran sin duda cuánticas.

Partiendo de la idea de Sir William Bragg (1890-1971) de que “Lo importante de la Ciencia no es tanto conocer nuevos hechos como descubrir nuevos modos de pensar sobre ellos”, la obra de García Pascual pretende estudiar algunas de las nuevas y fecundas maneras de abordar los problemas, que el comportamiento de la Naturaleza ha venido sugiriendo a la Ciencia a lo largo de la historia de la Humanidad.

Siguiendo las orientaciones de Thomas S. Kuhn, en su libro “La estructura de las revoluciones científicas”, acerca de los cambios de paradigma ocurridos a lo largo del tiempo para superar cada una de las crisis surgidas en la interpretación de la Naturaleza, García Pascual estudia algunos momentos de especial importancia en el proceso de cambio paradigmático de la ciencia física:

a.- Los cambios de paradigma, surgidos con las aportaciones de Galileo y con las ideas de Newton. Es la constitución de lo que conocemos como la Mecánica Clásica, o newtoniana.

b.- Las sorprendentes conclusiones, derivadas de la genialidad de Einstein, al introducir la teoría de la relatividad. La Mecánica Relativista integra la Mecánica Clásica, pero la sitúa en un plano nuevo que contempla una visión mucho más amplia de la cinemática.

c.- Los avances en el conocimiento del extraño proceder del mundo microscópico, a la luz de la intuición de Planck al llegar a la conclusión de la existencia de la constante h, que discretiza la energía radiada por el cuerpo negro en cuantos (fotones) de valor h.υ (siendo υ la frecuencia de la radiación), así como también a la luz de las fascinantes aportaciones de la pléyade de los físicos cuánticos a lo largo de todo el siglo XX.

El mundo de la mecánica clásica

En el desarrollo de la Mecánica Clásica fueron las ideas nuevas de Galileo las que consiguieron modificar la manera de proceder en el mundo científico ante los desafíos de la Naturaleza. Hasta Galileo, los científicos pretendían desentrañar dichos desafíos apoyándose, fundamentalmente, en las apariencias con que tales desafíos se presentaran a través de los sentidos.

Galileo, por el contrario, tuvo la genial idea de intuir que, para conocer la solución definitiva a muchos de los interrogantes planteados, no bastaba dejarse seducir por la percepción sensorial que tuviéramos de los hechos, sino que era necesario abordarlos desde una nueva perspectiva que se apoyara en determinados principios racionales.

Esta nueva perspectiva es uno de los más importantes logros en la historia del pensamiento humano y marca el comienzo real de la Física Moderna. Para implementar esos principios racionales ha resultado en muchos casos decisivo el conocimiento de ciertas constantes en el comportamiento de la Naturaleza que, sucesivamente, han venido incorporándose al bagaje de la Ciencia y, entre esas constantes. García Pascual profundiza analizando, a título de ejemplo, los cambios de paradigmas propiciados por los descubrimientos de la constante de gravitación universal G, de la constante de la velocidad de la luz c y de la constante de Planck h.

Como ejemplo de estos cambios de paradigma pensemos que la dinámica antigua consideraba que el reposo y el movimiento de cualquier tipo (incluso el rectilíneo y uniforme) eran dos estados diferentes. Para esta dinámica (basada únicamente en la impresión sensorial del movimiento) una cosa era que el cuerpo permaneciera en reposo y otra, muy distinta, que estuviera en movimiento.

Por otra parte, consideraba que el concepto de reposo era claro y evidente por sí mismo y que, por ello, no necesitaba ninguna razón ni causa que lo justificara (era el estado natural de los cuerpos). En cambio, cualquier masa que se moviera estaba fuera de su estado natural y, en consecuencia, debería haber alguna causa que la forzara a mantenerse en ese estado antinatural.

Para Aristóteles, si una flecha se movía con movimiento aparentemente rectilíneo y uniforme después de abandonar el arco, dicho movimiento se debía necesariamente a una fuerza, aunque fuera invisible, originada -según él- por una serie de remolinos que empujarían la flecha durante todo el tiempo que se estuviera desplazando.

La Mecánica Moderna, gracias a Galileo y a Newton, dejó de apoyarse únicamente en la apreciación de los sentidos (según la cual el reposo y el movimiento son dos estados diferentes) y cambió el enfoque para abordar el mismo problema considerando que ambos estados no deben distinguirse; ya que cualquier masa continúa en uno de dichos estados mientras una fuerza exterior no lo modifique.

Este cambio de enfoque desbloqueó el problema y dio paso al Principio de Inercia, principio que Newton consagró más tarde en la primera Ley de sus famosos Principia.

Como segundo ejemplo pensemos que Galileo se encontró con otra situación desconcertante al intentar precisar matemáticamente cómo se produce el movimiento con que se desplaza una piedra al dejarla libre de la mano que la sostiene. Se partía, hasta Galileo, de la imagen sensorial que tenemos de dicho movimiento al constatar, una y mil veces, que la piedra se mueve más deprisa según aumenta el espacio que recorre y, por ello, se apostaba por una estrecha relación entre la velocidad con que cae la piedra y el espacio por ella recorrido.

Esta relación, que partía de la imagen percibida por los sentidos, se mostraba incapaz de culminar en la precisión matemática del concepto que Galileo anhelaba para precisar la idea del movimiento cambiante de la piedra. En efecto, dicha percepción conducía a un camino bloqueado, a una vía muerta; puesto que el cambio de velocidad de la piedra al recorrer ésta los primeros 10 metros no era igual al cambio de su velocidad en los segundos 10 metros y, al no existir una ley clara entre el cambio de velocidad de la piedra y su desplazamiento, era necesario buscar otro nuevo sendero, sendero que encontró Galileo al aplicar el criterio racional (científico y no meramente sensible) de la mayor simplicidad posible en el acontecer natural de la caída libre de la piedra. Leyendo el Prólogo de sus Diálogos de la Nueva Ciencia se constata cómo el genio italiano cambió el enfoque del problema razonando de la forma siguiente:

a.- Si la piedra partiendo del reposo va aumentando su velocidad, este incremento debe añadirse de la manera más sencilla posible, considerando que esta manera más simple posible debe ser aquella que siempre consiga dicho incremento de la misma manera y en las mismas proporciones.

b.- Decir que una masa está en reposo lleva implícito hacer alguna referencia al tiempo, puesto que un cuerpo está en reposo (v =0) si su situación en el espacio no se ve afectada por el transcurrir del tiempo. De idéntica manera, el concepto de movimiento (v≠0) deberá estar también estrechamente relacionado con el tiempo, ya que tal movimiento sólo existe si el cuerpo cambia de posición espacial a lo largo del tiempo. En consecuencia, debe existir una afinidad más estrecha entre el cambio de velocidad del movimiento y el tiempo transcurrido, que la afinidad existente entre dicho cambio de velocidad y el espacio recorrido.

c.- De esta manera, Galileo concluyó que la manera más simple posible de cuantificar la forma como la piedra puede cambiar de velocidad es aquella en la que los incrementos iguales de velocidad tengan lugar en incrementos iguales de tiempo. Con estos razonamientos, Galileo había llegado a concretar el concepto de movimiento uniformemente acelerado simplemente cambiando de punto de partida. De nuevo no pretendió llegar al concepto intelectual, partiendo de la percepción de los sentidos; sino intentando justificar la percepción de los sentidos, a partir del concepto intelectual; es decir, reemplazando la intuición por el razonamiento.

El mundo de la relatividad

No obstante, Galileo y también Newton, pensaban erróneamente que el espacio y el tiempo parecían ser las variables independientes entre sí, cuya relación definía cualquier movimiento, estando convencidos, como lo ha estado después todo el mundo científico durante doscientos años, que ambas variables tenían los mismos valores para los posibles distintos observadores que pudieran utilizarlas, aunque entre ellos hubiera movimiento relativo.

Las fórmulas clásicas que describían la relación entre los espacios recorridos y los tiempos empleado para recorrerlos, también entraron en crisis al aplicarlas a observadores entre los que la velocidad relativa fuera muy alta. De nuevo surgió la necesidad de cambiar de paradigma dejando de considerar constantes tanto el espacio como el tiempo y dando esa prerrogativa únicamente a la velocidad de la luz c. Con este nuevo enfoque Einstein propuso en 1905 nada más y nada menos que la Teoría de la Relatividad Especial.

También es digno de observar cómo, aunque no se conserva el mismo valor ni para el espacio ni para el tiempo en el sentir de los dos observadores, sí se conserva para ambos el valor del escurridizo concepto del espacio-tiempo, como había preconizado Minkowski.
A partir de los nuevos modos de pensar propuestos por el genial Einstein y apoyados, exclusivamente, en desechar la aparente velocidad infinita de la luz y utilizar su valor c (no sólo finito sino, además, constante para cualquier observador como habían constatado Michelson y Morley) la Física fue consciente de otros muchos detalles tan aparentemente absurdos (y solo a título de ejemplo) como que:

a.- La materia y la energía son dos aspectos diferentes de la misma esencia relacionados por la famosa ecuación E = mc2.

b.- El tiempo corre de manera distinta para el viajero de un tren que para los jefes de las estaciones por las que dicho tren circule y lo mismo sucede para dos relojes situados uno al pie de una torre y el otro en lo más alto de la misma.

c.- La masa de un móvil es distinta para un observador solidario al propio móvil que para otro observador en reposo. Este detalle entraña cambios insospechados en la dinámica de los cuerpos rígidos.

El mundo cuántico

Años más tarde apareció una nueva crisis al intentar aplicar el determinismo, característico de la Mecánica Clásica con los matices relativistas, al universo atómico y subatómico. En este universo aparecía un delirio de conclusiones estadísticas que ni el propio Einstein podía justificar (Dios no juega a los dados, decía el mismo Einstein en carta a Niels Bohr). El establecimiento de los nuevos paradigmas, que superaran esta crisis, tuvo que esperar hasta que:

a.- Planck tuviera la idea genial de plantear la discontinuidad de la energía radiada por el cuerpo negro estableciendo que ésta estaba constituida por pequeños paquetes indivisibles (cuantos), cuya energía tenía por valor h.ν (siendo h la constante de Planck y ν la frecuencia de la radiación). Este cuanto se llamó fotón.

b.- De la misma manera, quedara también establecida la masa del electrón como el cuanto de la materia y la carga del electrón como el cuanto de la electricidad.

c.- Se confirmara el comportamiento dual (tanto como onda y a la vez como partícula) no sólo de la luz sino también de la materia.

d.- Se estableciera la interpretación en términos de probabilidad de la posición de los cuantos mediante ciertas funciones de onda.

e.- Se limitara la capacidad de medir simultáneamente los valores de un par de magnitudes armónicamente conjugadas como pueden ser la posición y el momento de una partícula o la energía intercambiada entre dos sistemas cuánticos y el tiempo empleado para ello.

f.- Se encontrara una razón válida para explicar la aparición de las líneas espectrales procedentes de cada átomo.

g.- Se tuvieran pautas acerca de la estructura del núcleo de los átomos y de su posible manipulación.

Puede encontrarse una plena justificación al título de la obra de García Pascual al ver cómo:

1.- La Mecánica Clásica, con las aportaciones de Galileo y de Newton, había establecido cierto determinismo para la Mecánica en su totalidad ya que, conociendo simultáneamente la posición y la velocidad de un cuerpo material (cuya masa se consideraba constante) en un instante y las fuerzas que sucesivamente se le fueran aplicando, estaba completamente determinada la posición y la velocidad del mismo para cualquier observador (cualquiera que fuera su movimiento) en otro instante . El espacio y el tiempo se consideraban con valores invariables para los posibles observadores, que pudieran interesarse por ellos.

2.- Este determinismo, considerando las matizaciones de Einstein, sólo resultaba válido si, en la formulación empleada, se tenía en cuenta el movimiento relativo entre los posibles observadores; ya que Einstein desbancó de su posición de privilegio al espacio y al tiempo, como valores absolutos para el estudio del movimiento, y colocó, como actriz principal para dicho estudio, la constancia de la velocidad de la luz.

3.- Con la aparición de la Mecánica Cuántica apareció cierto delirio en el devenir del mundo microscópico; ya que:

a.- La Naturaleza dejó de poderse considerar continua y ello afectaba poderosamente a su manera de comportarse.

b.- De Broglie descubrió que la materia, como la luz, tenía un comportamiento dual (simultáneamente presentaba características tanto de onda como de partícula).

c.- Schrödinger profundizó en el estudio de la variación con el tiempo de las funciones de onda asociadas a las partículas.

d.- Heisenberg, con su famoso Principio de Indeterminación, puso un límite infranqueable para el hombre en su capacidad de conocer simultáneamente la posición y la velocidad de un punto material. Parece, como si otra ley del comportamiento de la Naturaleza, capacitara a ésta para defender su propia intimidad frente a la curiosidad insaciable de la Ciencia.

e.- Niels Borh y Ernest Rutherford descubrieron no sólo la estructura no compacta del átomo como conjunto, sino también la de su núcleo.

f.- Las distintas partículas no sólo se mueven a mayor o menor velocidad sino que pueden interactuar entre ellas de muy distintas maneras.

Conclusiones

Para concretar todavía más la evolución de la Física, a lo largo de los dos últimos siglos, podríamos decir que ha pasado:

a. De considerar como absolutos el espacio tridimensional de Euclides y el tiempo, a conceder ese carácter de absoluto únicamente a la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas.

b. De ver la materia indestructible, a reconocerla como una forma más de energía.

c. De pensar en la acción a distancia de los componentes del Universo, a contemplar los campos creados por ellos.

d. De intuir la continuidad de las propiedades de la naturaleza, a ponderarlas en pequeños paquetes independientes (cuantos).

e. De hacerse la ilusión de un determinismo total en el devenir de los acontecimientos, a tener que conformarnos con previsiones estadísticas (y ni siquiera de hechos concretos) sino de ondas de probabilidad.

García Pascual expresa en diversos momento del libro la lucha permanente del hombre entre sus ansias por conocer la verdad y los frenos para alcanzarla derivados de sus propias limitaciones. También en el epílogo del libro comenta su ilusión de haber podido contribuir, dentro de límites razonables, a que sus alumnos y a que sus posibles lectores no se conformen con sentirse informados, ni siquiera con adquirir conocimientos, sino que aspiren a vivir –saboreando la auténtica sabiduría– integrando toda esa información y todas esas competencias en su desarrollo personal y en aplicarlos al progreso de la sociedad.

No cabe duda de que la obra de García Pascual muestra con toda precisión que el Universo real que describe la ciencia no es una prisión en la que el hombre carezca de capacidad de maniobra para elegir su propia vida, sino que vive en un Universo que le posibilita un gran margen de indeterminaciones que le quedan abiertas a la mano para que pueda elegir su vida.

El Universo que describe García Pascual es un balance clásico/cuántico que hace posible todas las dimensiones de nuestro ser. Por ser clásico estamos sometidos a la determinación que protege nuestros cuerpos, dota de fiabilidad a la especie y nos permite de la estabilidad que, en el tiempo, permitirá que hagamos nuestra propia biografía.

Por ser cuántico ese mismo Universo hace que el mundo físico pueda explicar otras muchas propiedades del mundo físico, del biológico y del psíquico-neurológico. Por ser cuántico el universo hace posible que nuestra biografía no sea un resultado determinista ciego de la naturaleza, sino una construcción libre y personal por elección ante las innumerables burbujas de indeterminación abiertas en la naturaleza.

Artículo elaborado por Javier Monserrat, Universidad Autónoma de Madrid y Cátedra CTR, Universidad Comillas.