La demostración que transformó las ideas del gran Isaac Newton sobre la naturaleza de la luz fue increíblemente simple. "Puede repetirse con gran facilidad dondequiera que brille el sol", dijo el físico inglés Thomas Young en noviembre de 1803 a miembros de la Royal Society en Londres, describiendo lo que ahora se llama el experimento de doble rendija. Y Young no era un joven entusiasta. Se le ocurrió un elegante y elaborado experimento que demostraba la naturaleza ondulatoria de la luz y, por lo tanto, refutó la teoría de Newton de que la luz está compuesta de corpúsculos, es decir, partículas.
Pero el nacimiento de la física cuántica a principios del siglo XX dejó en claro que la luz está formada por pequeñas unidades indivisibles, o cuantos, de energía que llamamos fotones. El experimento de Young con fotones individuales, o incluso con partículas individuales de materia como electrones y neuronas, es un misterio que hace que uno se pregunte sobre la naturaleza misma de la realidad. Algunos incluso lo han utilizado para afirmar que el mundo cuántico está influenciado por la conciencia humana. Pero, ¿puede un simple experimento demostrar esto?
¿Puede la conciencia definir la realidad?
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En su forma cuántica moderna, el experimento de Young implica disparar partículas individuales de luz o materia a través de dos rendijas o agujeros cortados en una barrera opaca. A un lado de la barrera hay una pantalla que registra la llegada de partículas (digamos, una placa fotográfica en el caso de los fotones). El sentido común nos hace esperar que los fotones pasen a través de una u otra rendija y se acumulen detrás del pasaje correspondiente.
Pero no. Los fotones golpean ciertas partes de la pantalla y evitan otras, creando rayas alternas de luz y oscuridad. Estas llamadas franjas se asemejan a una imagen de dos olas que se encuentran. Cuando las crestas de una onda se alinean con las crestas de otra, se obtiene una interferencia constructiva (rayas brillantes), y cuando las crestas se alinean con las depresiones, se obtiene una interferencia destructiva (oscuridad).
Pero solo un fotón pasa a través del dispositivo a la vez. Parece que el fotón atraviesa ambas rendijas a la vez e interfiere consigo mismo. Esto es contrario al sentido común (clásico).
Hablando matemáticamente, no es una partícula física o una onda física que pasa por ambas rendijas, sino la llamada función de onda, una función matemática abstracta que representa el estado de un fotón (en este caso, la posición). La función de onda se comporta como una onda. Golpea dos rendijas y nuevas ondas salen del otro lado de las rendijas, se propagan e interfieren entre sí. La función de onda combinada calcula la probabilidad de dónde podría estar el fotón.
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El fotón tiene una alta probabilidad de estar donde las dos funciones de onda interfieren constructivamente, y baja, donde la interferencia es destructiva. Las mediciones - en este caso, la interacción de la función de onda con la placa fotográfica - conduce al "colapso" de la función de onda, a su colapso. Como resultado, apunta a uno de los lugares en los que el fotón se materializa después de la medición.
Este colapso aparentemente inducido por la medición de la función de onda se ha convertido en la fuente de muchas dificultades conceptuales en la mecánica cuántica. Antes del colapso, no hay forma de saber con certeza dónde terminará el fotón; puede estar en cualquier lugar con probabilidad distinta de cero. No hay forma de rastrear la trayectoria de un fotón desde la fuente hasta el detector. El fotón es irreal en el sentido de que un avión que vuela de San Francisco a Nueva York es real.
Werner Heisenberg, entre otros, interpretó esta matemática de tal manera que la realidad no existe hasta que se observa. “La idea de un mundo real objetivo, cuyas partículas más pequeñas existen objetivamente en el mismo sentido que existen las piedras o los árboles, sin importar si los observamos o no, es imposible”, escribió. John Wheeler también utilizó una variante del experimento de doble rendija para afirmar que "ningún fenómeno cuántico elemental será un fenómeno hasta que se convierta en un fenómeno registrado ('observado', 'definitivamente registrado')".
Pero la teoría cuántica no da absolutamente ninguna pista sobre lo que cuenta como "medición". Ella simplemente postula que el dispositivo de medición debe ser clásico, sin definir dónde se encuentra esta línea entre lo clásico y lo cuántico, y dejando la puerta abierta para quienes creen que el colapso está causando la conciencia humana. En mayo pasado, Henry Stapp y sus colegas dijeron que el experimento de la doble rendija y las versiones modernas sugieren que "un observador consciente puede ser necesario" para dar significado al reino cuántico, y que la inteligencia transpersonal está en el núcleo del mundo material.
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Pero estos experimentos no son evidencia empírica para tales afirmaciones. En un experimento de doble rendija realizado con fotones individuales, solo se pueden probar las predicciones probabilísticas de las matemáticas. Si las probabilidades flotan en el proceso de enviar decenas de miles de fotones idénticos a través de la doble rendija, la teoría dice que la función de onda de cada fotón colapsó, gracias a un proceso vagamente definido llamado medición. Eso es todo.
Además, existen otras interpretaciones del experimento de la doble rendija. Tomemos, por ejemplo, la teoría de De Broglie-Bohm, que dice que la realidad es tanto una onda como una partícula. El fotón se dirige a la rendija doble en una posición determinada en cualquier momento y pasa a través de una rendija u otra; por tanto, cada fotón tiene una trayectoria. Viaja a través de una onda piloto que penetra en ambas rendijas, interfiere y luego dirige el fotón al lugar de la interferencia constructiva.
En 1979, Chris Dewdney y sus colegas del Brickbeck College London modelaron la predicción de esta teoría de los caminos de las partículas que viajarían a través de una doble rendija. Durante los últimos diez años, los experimentadores han confirmado que existen tales trayectorias, aunque utilizaron la controvertida técnica de las llamadas mediciones débiles. A pesar de la controversia, los experimentos han demostrado que la teoría de De Broglie-Bohm todavía es capaz de explicar el comportamiento del mundo cuántico.
Más importante aún, esta teoría no necesita observadores ni mediciones ni conciencia intangible.
Tampoco las necesitan las llamadas teorías del colapso, de las que se sigue que las funciones de onda colapsan al azar: cuanto mayor es el número de partículas en un sistema cuántico, más probable es el colapso. Los observadores simplemente registran el resultado. El equipo de Markus Arndt en la Universidad de Viena en Austria probó estas teorías enviando moléculas cada vez más grandes a través de una doble rendija. Las teorías del colapso predicen que cuando las partículas de materia se vuelven más masivas que un cierto umbral, ya no pueden permanecer en una superposición cuántica y pasar por ambas rendijas al mismo tiempo, y esto destruye el patrón de interferencia. El equipo de Arndt envió una molécula de 800 átomos a través de la doble rendija y aún vio interferencia. Continúa la búsqueda del umbral.
Roger Penrose tenía su propia versión de la teoría del colapso, en la que cuanto mayor es la masa de un objeto en superposición, más rápido colapsa a un estado u otro debido a inestabilidades gravitacionales. Nuevamente, esta teoría no requiere un observador ni ningún tipo de conciencia. Dirk Boumeester de la Universidad de California, Santa Bárbara prueba la idea de Penrose con una versión del experimento de doble rendija.
Conceptualmente, la idea no es solo poner un fotón en superposición de pasar por dos rendijas al mismo tiempo, sino también poner una de las rendijas en superposición y hacerla estar en dos lugares al mismo tiempo. Según Penrose, la rendija reemplazada permanecerá en superposición o colapsará con un fotón sobre la marcha, lo que dará lugar a diferentes patrones de interferencia. Este colapso dependerá de la masa de las rendijas. Boumeester ha estado trabajando en este experimento durante diez años y pronto podría confirmar o negar las afirmaciones de Penrose.
En cualquier caso, estos experimentos muestran que todavía no podemos hacer ninguna afirmación sobre la naturaleza de la realidad, incluso si estas afirmaciones están bien fundamentadas matemáticamente o filosóficamente. Y dado que los neurocientíficos y los filósofos de la mente no pueden ponerse de acuerdo sobre la naturaleza de la conciencia, la afirmación de que conduce al colapso de las funciones de onda sería prematura en el mejor de los casos y equivocada en el peor.
Ilya Khel
