Mi charla de quince minutos en la primera edición de MUY Science Fest Málaga, hoy sábado 19 de octubre, fue disfrutada por el público que asistió al Auditorio Edgar Neville de la Diputación de Málaga. Como suele ser habitual en mis charlas cortas, para todos los que no pudieron asistir y estén interesados en ella, aquí tenéis una transcripción de mi charla. ¡Que la disfrutes!
La naturaleza cuántica de la realidad es la gran pregunta sin respuesta de la física del siglo XXI. Ignoramos la naturaleza cuántica del tiempo, del espacio y de la gravitación. [Fuente de la imagen: Foto de Ricardo Ricote Rodríguez]
Conocemos la naturaleza cuántica de las partículas que forman la materia y sus interacciones. Las partículas son excitaciones de campos cuánticos, similares a ondas localizadas en ciertas regiones del espacio y el tiempo, rodeadas de un vacío que fluctúa y rellena todo el universo. [Fuente de la imagen: Derek Leinweber]
Según la física del siglo XX la realidad física tiene una naturaleza dual. Por un lado, un espaciotiempo clásico que se curva con la densidad de energía de las partículas y que puede propagar ondas gravitacionales, como las generadas en las fusiones de agujeros negros. [Fuente de la imagen: NASA].
Y por otro lado, 118 campos cuánticos que se observan como partículas fundamentales y sus interacciones descritos por el modelo estándar: 24 partículas de materia (fermiones), y sus 24 antipartículas, que se agrupan en tres familias, con dos quarks, uno tipo arriba y otro tipo abajo, cada uno con tres colores, y dos leptones, uno con carga eléctrica tipo electrón y otro sin ella tipo neutrino; y 11 partículas mediadoras de interacciones (bosones), 8 gluones que median la interacción fuerte entre quarks con hipercarga de color, el fotón que media el electromagnetismo entre partículas con carga eléctrica, 3 bosones débiles W y Z que median la interacción débil entre partículas con hipercarga débil, todos los fermiones incluidos los neutrinos, y el famoso bosón del campo de Higgs, que dota de masa al resto de partículas. [Fuente de la imagen: Ethan Siegel]
El modelo estándar es una teoría quiral, porque la interacción débil diferencia entre las componentes izquierdas y derechas de los campos de los fermiones; para ella, las izquierdas se agrupan en parejas, tanto para los quarks como para los leptones de cada familia, pero las derechas van separadas porque no hemos observado neutrinos derechos. En total hay 36 campos de quarks y 9 de leptones que junto a los campos de sus 45 antipartículas nos dan 90 campos fermiónicos. Además, hay 8 campos de gluones y un campo del fotón con dos componentes (polarizaciones), porque no tienen masa; pero los campos de los bosones W y Z tienen 3 componentes por tener masa y el campo de Higgs solo tiene una componente por ser escalar. Así hay 28 campos bosónicos y en total en la Naturaleza hemos observado 118 campos cuánticos. [Fuente de la imagen: Mikhail E. Shaposhnikov (traducida y reformateada)]
Creemos que podría haber más campos cuánticos asociados a nuevas partículas para explicar fenómenos como la materia oscura en el universo. Además, a los físicos no nos gusta que la realidad física tenga una naturaleza dual, con un espaciotiempo clásico que se curva en función de la densidad de energía de las partículas de los 118 campos cuánticos conocidos. [Fuente de la imagen: bimago]
Nos gustaría que el tiempo, el espacio y la gravitación tuvieran una naturaleza cuántica, que su naturaleza clásica fuera emergente a partir de una teoría cuántica de la gravitación. Una teoría que permita unificar la gravitación con la física de partículas. [Fuente de la imagen: CuriouSTEM]
El sueño de Einstein, unificar toda la física en una teoría de todo, una teoría final que identifique la realidad física con la realidad. Sin embargo, podría ocurrir que no exista una teoría de todo y que la realidad física se pueda aproximar a la realidad, pero nunca coincidir con ella.
La materia está hecha de átomos, hechos de electrones ligados a núcleos, hechos de protones y neutrones ligados entre sí gracias a que están hechos de quarks ligados por gluones. Los electrones, quarks, gluones, fotones, neutrinos, y hasta el bosón de Higgs son excitaciones de tipo partícula de campos cuánticos. [Fuente de la imagen: CuentosCuánticos]
Dichos campos no son observables. Ningún experimento puede medir el campo cuántico en cada punto del espacio y en cada instante del tiempo. Solo podemos observar sus partículas. [Fuente de la imagen: Derek Leinweber]
Que a baja velocidad (energía) se describen por una función de onda cuántica no relativista que evoluciona en el tiempo según la ecuación de Schrödinger (el famoso por su gato). La función de onda tampoco es observable, no existe ningún experimento que pueda medirla. Además, el tiempo en esta ecuación es clásico, no tiene naturaleza cuántica, es el tiempo medido con un reloj externo al sistema cuántico. Podemos construir relojes cuánticos, pero miden el tiempo clásico externo. [Fuente de la imagen: Derek Leinweber]
La función de onda no forma parte de la realidad física, no existe en el espaciotiempo, está definida en un espacio de fases (con tres dimensiones por cada partícula que describe). Solo es un instrumento matemático para predecir las probabilidades de los resultados de los experimentos. [Fuente de la imagen: Hannes Hummel para Quanta Magazine]
La ley fundamental de la física cuántica es el principio de indeterminación de Heisenberg. Una partícula es una excitación de un campo cuántico que ni tiene posición ni tiene velocidad bien determinadas. Siempre hay una indeterminación intrínseca en su posición y su velocidad cuyo producto es mayor que un valor mínimo positivo. No se puede medir ni la posición ni la velocidad de una partícula con un error cero, porque incumpliría con el principio de indeterminación. [Fuente de la imagen: Ethan Siegel y Henri Coorevits]
Este principio disgustaba a físicos como Einstein, que opinaba que debería existir una realidad física oculta, clásica y relativista, subyacente a la realidad física cuántica, unas variables ocultas de posición y velocidad bien determinadas, asociadas a elementos de realidad, en contra del principio de indeterminación. [Fuente de la imagen: Sergey Konenkov/Sygma/Getty Images]
En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen propusieron un experimento mental. Cuando dos partículas son emitidas en direcciones opuestas por un núcleo en reposo están entrelazadas en posición y en velocidad, gracias a la conservación de la energía (y el momento lineal). Su entrelazamiento permite conocer la posición o la velocidad de cualquiera de ellas midiendo la de la otra. En su experimento mental proponen medir la posición de una partícula y la velocidad de la otra con extrema precisión, para lograr incumplir con el principio de indeterminación de Heisenberg cuando ambas medidas se asignan a la misma partícula.[Fuente de la imagen: Mawsi Mawsi/Science Planet]
La respuesta de Bohr [basada en el principio de complementariedad] fue la siguiente: cada partícula entrelazada tiene una posición y una velocidad indeterminadas que cumple con el principio de Heisenberg, así que la medida EPR siempre cumplirá con dicho principio. [Fuente de la imagen: Quantum Foam, Refik Anadol (2015)]
Pero dicha respuesta no convenció a Einstein que falleció buscando contraejemplos del principio de indeterminación. Por ejemplo, en la emisión de un electrón en la radiactividad beta. Un neutrón en un núcleo de tritio se desintegra por la interacción débil en un protón emitiendo un antineutrino y un electrón, cuya energía podemos estimar con gran precisión. A partir de ella podemos estimar su velocidad. Como el electrón aparenta salir del interior del núcleo su posición inicial aparenta tener una indeterminación igual al diámetro del núcleo de tritio. En dicho caso se incumpliría con el principio de Heisenberg en un factor de 400. Sin embargo, siempre que se ha estimado la posición del electrón alrededor del núcleo de tritio se ha obtenido una incertidumbre en posición mayor de 400 veces el diámetro del núcleo de tritio. La desintegración beta excita el campo cuántico del electrón generando un estado de tipo partícula con una incertidumbre en posición que es 400 veces mayor que el diámetro del núcleo de tritio. Y así lo confirman todos los experimentos, como el de Madame Wu en 1950. [Fuente de la imagen: Brainly; Fuente del texto: Alexander Afriat, Franco Selleri, «The Einstein, Podolsky, and Rosen Paradox in Atomic, Nuclear, and Particle Physics,» Springer (1999)]
Ella no recibió el Premio Nobel de Física, como lo recibieron en 2022 Aspect, Clauser, y Zeilinger por sus experimentos que demostraron que la realidad física cuántica es la que se observa en la Naturaleza. Siempre se cumple el principio de indeterminación y todas las predicciones de la física cuántica. Todos los experimentos físicos realizados en el último siglo cumplen con el principio de indeterminación dándole la razón a Bohr. [Fuente de la imagen: Nobel Prize]
La realidad física aparenta tener una naturaleza cuántica. Por eso el gran problema de la física en el siglo XXI es desvelar la naturaleza cuántica del tiempo, del espacio y de la gravitación. Por eso todos los físicos soñamos con una gravitación cuántica que nos acerque a la naturaleza cuántica de la realidad. Gracias. [Fuente de la imagen: Foto de Manuel Martín Laguna]
Una charla muy bonita, aunque supongo que escucharla en persona habría sido aún más entretenido por la energía que desprendes, siempre tan llena de vitalidad, como un auténtico suplemento de vitaminas para quienes somos curiosos y nos encanta aprender y descubrir cada vez más 🙂 Como curiosidad, es bastante significativo que incluso Penrose (y pido perdón por mencionarlo tanto, ¡pero es que me fascina! ajaja) haya tenido que aceptar que hay variables que realmente no conmutan, y que no todo sea ‘clásico’. Tan significativo fue ese cambio (que le costó 40 años aceptarlo) que en su artículo de 2015 sobre su nueva teoría ‘palatial twistor theory’, define el álgebra del principio de incertidumbre como ‘álgebra de Heisenberg’. Parece que fue el gran Michael Atiyah quien, en una conferencia en el Palacio de Buckingham (por eso se llama «palatial»), convenció a Roger de que tendría que aceptar a Heisenberg si quería resolver el ‘problema del googly’ del gravitón no lineal… 🙂
Me encanta la imagen de «realidad» y «realidad física», entendemos que la realidad física es una versión empírica de la realidad, podemos definir la realidad física como el conjunto de todas las verdades físicas, siendo una verdad física un constructo formal que podemos realizar para el que existe una observación o experimento que lo confirma.
El conjunto de todas las verdades físicas, es decir, el conjunto de todo lo que puede ser confirmado experimentalmente, es la realidad física. Aquella teoría capaz de describir todas las verdades físicas desde un único paradigma sería la ToE.
Personalmente dudo que pueda existir una ToE integrada, esto es, una teoría que desde un único paradigma y en una cantidad de pasos razonable pueda decir todo lo que se puede decir sobre la realidad física. Es razonable pensar en una ToE no integrada y que para hacer unos cálculos necesitamos una teoría, para otros cálculos otra. Básicamente es lo que tenemos ahora, Newton para unas cosas, relatividad para otras, cuántica, campos, cuerdas, etc…el conjunto de todo ello es una ToE no integrada y posiblemente incompleta.
En el escenario más pesimista no podremos alcanzar una ToE integrada, si bien tenemos un único paradigma para todo nada garantiza poder construir todas las verdades en una cantidad de pasos razonable, mientras que un ToE no integrada no garantiza saber crear todas las teorías necesarias para explicarlo todo.
Integrada o no integrada lo más probable es que no logremos formular una ToE jamás, lo raro sería lograrlo.
Disculpa mi ignorancia, Francis. Cuando se nos dice que las partículas son excitaciones de campos cuánticos, parecería que hay una correspondencia 1:1 entre campo y partícula. Sin embargo, al tratar los campos cuánticos relacionados con los bosones tienes en cuenta las componentes 3, 2 o 1, y como resultado cuentas 28 campos bosónicos. Lo que sugiere que aquella correspondencia no es así, sino que, por ejemplo, el fotón sería la excitación de dos campos cuánticos… ¿Cuál es entonces una definición más rigurosa de campo cuántico que se ajuste a lo que son las diferentes componentes de los bosones?
Gabriel, tanto el electromagnetismo de Maxwell como la gravitación de Einstein son teorías con dos grados de libertad físicos, las dos polarizaciones de los fotones y de los gravitones, que se corresponden a nivel cuántico con las dos componentes bosónicas de sus campos cuánticos. A alta energía, los bosones W y Z no tienen masa y como el fotón solo tienen dos polarizaciones transversales; además, el campo de Higgs es un doblete escalar complejo, es decir, tiene cuatro componentes escalares, que dan lugar a cuatro excitaciones de tipo partícula, una escalar, una pseudoescalar y dos cargadas con carga opuesta. Pero a baja energía, tras la rotura de la simetría electrodébil, los bosones W y Z adquieren masa, luego adquieren una tercera polarización, que es longitudinal; se interpreta que tres de las componentes del campo de Higgs se excitan acopladas a las dos componentes de los W y Z, con lo que estas partículas tienen tres componentes (como todo campo vectorial masivo) y queda una componente desacoplada, que se observa como el bosón de Higgs.
La definición rigurosa de campo cuántico es que es un objeto físico real descrito por una representación lineal del grupo de Poincaré, con una, dos, tres, cuatro, etc., componentes que evoluciona según las leyes de la física cuántica, presentando un estado de vacío y estados excitados de tipo partícula, que se comportan como partículas libres (que se propagan revestidas del vacío de su propio campo, pero que no interaccionan). Por desgracia, no existe definición rigurosa del concepto de campo cuántico interactuante. De hecho, el primer paso para la resolución del problema del salto de masa en teorías de Yang-Mills del Premio del Milenio del Instituto Clay de Matemáticas es dar sentido riguroso al concepto de campo cuántico en interacción. La definición rigurosa de campo cuántico libre es de principios de los 1950, pero los términos no lineales han sido una obstrucción matemática que nadie ha sido capaz de superar desde entonces a la hora de definir el concepto de campo cuántico interactuante.
Por cierto, los físicos teóricos usamos los campos cuánticos sin recurrir a ninguna definición rigurosa. Usamos una definición formal, que disgusta a los matemáticos, pero que permite obtener las predicciones más precisas de toda la física que se han confirmado con experimentos y observaciones.
Esa realidad más allá de la realidad física, esa metafísica, puede entenderse de distintas maneras.
– Como algo desconocido por ahora, pero accesible al conocimiento científico. Popper y su verosimilitud, como aproximación a la verdad. Pero en el límite esa aproximación presupone el isomorfismo que querían los positivistas entre el lenguaje y el mundo. Un mundo con estructura gramatical. O bien, como criticaba Putnam, el realismo que presupone un mundo predibujado, con junturas naturales que el conocimiento se limita a descubrir.
– Como algo incognoscible. Si el mundo de la experiencia toma sus formas de las categorías de nuestro entendimiento, la cosa en sí es inaccesible. Del teatro de la consciencia no se sale (la cárcel del lenguaje). Enseguida, de Fichte a Nietzsche, corrigieron a Kant, avisando que algo incognoscible no sirve para nada y anticipando
– el pragmatismo y la fenomenología del siglo XX. Muerto el noúmeno, ni realismo ni idealismo. Del sujeto trascendental al sujeto situado, en un cuerpo, una cultura, una historia, una biografía, una circunstancia. «Nada moderno y muy del siglo XX», decía Ortega. De ahí al constructivismo y la postmodernidad, un paso. Si el único mundo al que tenemos acceso es el que construímos con nuestras prácticas compartidas (incluída la elaboración teórica), llamemos realidad a eso que construimos, asumiendo su cualidad de escenario. Y aceptando que, con el tiempo, cambian los personajes, el atrezo y hasta el decorado.
El físico teórico que busca una TOE como una imagen especular de la realidad sigue siendo un moderno. Como decía Giribet, spinoziano («¡Volvamos a ser modernos!» es su grito de guerra). Y en el fondo, teísta, como apostillaba Edelstein con finura (la inversión teológica que supone poner a la física en el lugar de la omnisciencia divina).
«Libre de la metáfora y del mito
labra un arduo cristal: el infinito
mapa de Aquel que es todas Sus estrellas.»
Spinoza – J.L. Borges
De nuevo, muchas gracias por tu labor divulgativa. Es un gran resumen para usar de referencia. Estaremos complacidos cuando la charla elimine «cuántica» del título y se incluyan los misterios astronómicos cosa que hace a la «realidad» aún más incierta.
«Por eso todos los físicos soñamos con una gravitación cuántica que nos acerque a la naturaleza cuántica de la realidad.» Decía el gran divulgador, Francis villatoro, allá por los años 20 del siglo pasado, sin sospechar, como nadie entonces, que la física cuántica no era la última palabra, solo la punta del iceberg.
Aunque no soy fisico me permito una obsevacion. Las teorias no existen. Las desarrollamos los humanos para tratar de explicar el mundo y sus fenomenos, por tanto creo que mientras no se pueda comprobar una teoria o un modelo es algo meramente empirico que explica con mayor o menor fortuna y precision un determinado fenómeno…..
Gracias, Francis. Siempre didáctico e interesante.
Una cosilla… Dices, al principio de la charla: «Las partículas son excitaciones de campos cuánticos, similares a ondas localizadas en ciertas regiones del espacio y el tiempo, rodeadas de un vacío que fluctúa y rellena todo el universo.»
Entiendo que te querías referir a «en ciertas regiones del espacio-tiempo», ¿es así?
Si, Vïctor, ciertas regiones del espacio-tiempo.
Después de tantos experimentos que demuestran que EPR estaban equivocados y que la naturaleza a determinada escala no puede ser realista y local, que se niega: el realismo, la localidad o las dos cosas?
Manuel, la mecánica cuántica no relativista podría ser realista y no local, pero solo es una aproximación a la mecánica cuántica relativista (o teoría cuántica de campos, QFT), que es local (por definición de relativista); por tanto, solo se puede negar el realismo. Como es obvio, no tiene sentido que una teoría local (QFT) niegue la localidad. Así que la física cuántica es local, pero no es realista.
Pero esa dualidad acaso no existe en el campo electromagnético entre campos clásicos de Maxwell y campos cuánticos de Dirac-Feynman, allí el transistor operó la transición mucho antes de que exista una computación cuántica, primero Lilienfeld que contó con la supervisión doctoral de Planck antes de emigrar y después la tríada Shockley-Bardeen-Brattain en los Bell Labs en 1947, finalmente para 1960 tuvimos un transistor FET de efecto campo, integrados en 1957 y 1958 (Fairchild y Texas Instruments) y finalmente siguiendo la arquitectura von Neumann mucha RAM y companias como Motorola, Intel en 1968 y AMD en 1969, hasta llegar a esta expansión presente dónde IBM ya cumplió sus 100 años de marca registrada.
Gracias por hacer fácil lo difícil (no suelo escribir aquí, pues dada mi ignorancia, ocuparía «espacio-tiempo» precioso para otras cuestiones, pero de vez en cuando tengo que darle las gracias al doctor Villatoro).