La Dualidad Onda Partícula: Observación y Teoría en Ecología y Ciencias del Suelo

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Fuente: Juan José Ibáñez

Siempre me ha apasionado la extraña exotiquez de la mecánica cuántica. Ya de joven, en la universidad, estudia con dos amigos que se encontraban cursando la carrera de CC. Físicas y otros dos la de matemáticas. Nos reíamos mucho. Por ejemplo, le preguntábamos a uno de ellos (que terminó haciendo su tesis doctoral bajo la dirección de un Premio Nobel chino que trabajaba en Hamburgo, y luego se marchó al CERN). ¿Nos puedes repetir que es un electrón?, ¡no lo entendemos!. Y respondía algo así como “es un espacio de probabilidades”. Y bromando insistíamos ¿una partícula es un espacio de probabilidades?. Carcajadas. Muchas de las ideas que pueden extraerse de la mecánica cuántica son alucinantes, o como suele describirse en el ámbito de la ciencia “contra-intuitivas”.  Si a un científico de otra disciplina de inicios del siglo XX le hubieran augurado el potencial heurístico de esas “cosas locas” que defendían los fundadores de esta ciencia, se habrían burlado. Si a esos mismos incrédulos se les dijera que a inicios del Siglo XXI una de las grandes aportaciones, directa e indirectamente, al PIB de EE.UU., procedería de aquella locura, nos echarían de sus despachos o llamarían a un centro psiquiátrico.  ¡pero así es!. Y de hecho algunos de aquellos genios tenían que discutir con místicos orientales debido a que los filósofos occidentales se “les cruzaban los cables neuronales” al escuchar sus desideratas. De hecho a la hora de entender sus descubrimientos, ni ellos mismos se po0nían de acuerdo, por lo que al final se adoptó un consenso al que denominaron en su día “Interpretación de Copenhague”.

Hoy en día nadie duda de las enormes aportaciones de la mecánica cuántica al progreso de la ciencia, aunque su racionalidad nos sigue pareciendo bastante irracional. ¡Pero funciona!, y gran parte de sus predicciones han ido siendo corroboradas con pruebas empíricas o indirectamente. Siguen existiendo aspectos que van tan lejos como la película más esotérica de ciencia ficción que pueda imaginarse. ¿Por qué los mundos paralelos y los multiversos  siguen surgiendo como posibilidades plausibles en sus indagaciones teóricas?. Y no se trata de un  estudio concreto, sino que emergen como por arte de magia en las indagaciones de numerosos físicos teóricos,  una y otra vez, cuando abordan la Teoría del Todo y/o la de Supercuerdas?. Y podríamos seguir……. Pero centrémonos en uno de sus constructos modelo-teóricos más antiguos y conocidos, es decir en la Dualidad Onda-Partícula. Digamos que es de obligado cumplimiento que al hablar de este tema se haga también de la relación de indeterminación de Heisenberg o Principio de incertidumbre de Heisenberg. Abajo os ofrezco información sobre este tema, pero intentemos extraer la esencia epistemológica o gnoseológica, abstrayéndonos de si el objeto de estudio es de naturaleza cuántica o por el contrario, por así decirlo de la física clásica. Se que a muchos no les gustará tal libertad, pero tengo argumentos para permitirme tal modo de proceder.

La esencia de la “Dualidad Onda Partícula” no resulta ser tan extraña como parece. Conforme a este constructo modelo-teórico, un “objeto” puede comportarse como una onda (un continuo) o una partícula (objeto discreto) en función del tipo de observación que conlleva inherentemente teoría e instrumentación. Ya publiqué mi tesis sobre este tema (la dualidad onda-partícula y continuo-discreto) en edafología  en un capítulo de libro que llevaba por título The search for a new Paradigm in Pedology, y al que podéis acceder los que sepáis un poco de inglés. Básicamente, el tema ya se ha tratado en este blog. Pero sigamos de manera algo más ortodoxa: la Dualidad Onda-Partícula nos viene a decir que ciertas partículas elementales pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros experimentos. Dado ese comportamiento dual, es típico de los objetos. En principio parecen conceptos antagónicos (El Discurso Científico, Conceptos Contrarios) como defendería Jean-Marc Lévy-Leblond. Sin embargo este descomunal intelectual ya aclara que proponer racionalmente que dos conceptos son genuinamente contrarios puede llevarle a uno al borde del precipicio. Y es que el tema soslayado de los conceptos es un pilar fundamental en la filosofía de la ciencia y el método científico, que asombrosamente ha recibido muy poca atención (ver relación de post previos sobre estos temas abajo).

En la mayoría de los casos, que califiquemos algo de la naturaleza como discreto o como continuo, depende de la teoría, observación, instrumentación y experimentación. Ese algo natural puede ser continuo y/o discreto en función de las últimas.  En el capítulo The search for a new Paradigm in Pedology defendí, ante una escuela muy poderosa de la ciencia del suelo, que considerar que los tipos de suelos (objeto) eran entes artificiales ya que este recurso natural varía en continúo, no deja de ser más que una aberración de mentes incultas y que desde luego carecen del más mínimo conocimiento de en qué consiste el método científico.   Lévy-Leblond estaría totalmente de acuerdo conmigo. En consecuencia, la antinomia continuo-discreto se diluye como un azucarillo en un café caliente ya que depende del corpus doctrinal defendido por distintas escuelas científicas rivales. El gran filósofo Ludwig Wittgenstein, en sus brillantes investigaciones filosóficas, al hablar  acerca del Juego del lenguaje, venía más o menos a decirnos que definir que es un juego le resultaba prácticamente imposible, ya que algo que palmariamente no lo era entraba en las definiciones, mientras que actividades que casi todos defenderían que son un juego no. ¡Los juegos de lenguaje.!. Pero encaminémonos  al ámbito de la ecología, donde vamos a toparnos con más de lo mismo, como también en numerosísimas disciplinas científicas. Existen realmente tipos de ecosistemas, ¿o los ecosistemas son un continuo sin fronteras reales?. Pues bien, como en el ámbito de la edafología los ecólogos no se ponen de acuerdo. Para una escuela los ecosistemas pueden y deben distinguirse en tipos o clases, mientras otra defiende que no. Estos últimos piensan que la edafosfera es un continuo. Los primeros utilizan, al margen del debate sobre las bondades de sus modelos teóricos, unas herramientas matemáticas concretas de las que puede obtenerse una buena descripción de estos entes, aptas para múltiples propósitos, ya sean de naturaleza básica o aplicada. Lo mismo  ocurre con los segundos. Finalmente otros expertos son más pragmáticos aplicando ambas aproximaciones simultáneamente, o según los objetivos que persiguen, en una indagación concreta. En geomorfología, por ejemplo, ocurriría lo mismo.

Y es que como se decía en la famosa serie televisiva Expediente X o Expedientes Secretos: “La realidad está ahí fuera”, y nuestra mente tan solo puede captar un idea distorsionada a partir de nuestros limitados aparatos sensoriales y los escasos conocimientos e instrumentaciones que hemos ido acumulando durante tres siglos. La realidad pura es algo que “ontológicamente” está fuera de nuestro alcance. Y es que nos enfrentamos a un problema cognitivo más que real, como ya expliqué en mi libroLos Números Mágicos” (The Magic Numbers). Desde que nacemos, nuestra mente se desarrolla entendiendo y clasificando las cosas y seres del mundo que nos rodean. Hablamos del concepto de cosificación o de reificación (esta descripción es un tanto esotérica, pero no he tenido tiempo de encontrar un texto más decente en la Web). Según la RAE cosificar podría definirse como: (1): Convertir algo abstracto en una cosa concreta; (2) Reducir a la condición de cosa a una persona (la que parece más popular actualmente). Como se defiende en uno de los fragmentos reproducidos abajo: “la dualidad onda partícula no se resuelve hasta que el observador lo decide”. Entendemos pues la preocupación de filósofo Ludwig Wittgenstein anteriormente aludida en sus investigaciones sobre el lenguaje (ver abajo material acerca de este asunto).  Como se defiende en la página Web el Juego del lenguaje,“ acerca de las elucubraciones de Wittgenstein: (…) Wittgenstein insiste en que no hay una esencia “juego”, como algo en común de lo que participasen los diversos juegos y con ayuda del cual los pudiésemos “definir”. Entre los diversos y variadísimos  “juegos”, sólo puede discernirse cierta similitud o “familiaridad” (…). Dicho de otro modo, no se puede discernir con rotundidad que es un juego de lo que no lo es.

Empero la ciencia nos informa hoy de que el lenguaje determina el pensamiento (incluso a nivel de idiomas o lenguas), y para hablar nos vemos obligados a “cosificar”. Por tanto, tendemos cognitivamente a dividir esa ambigua naturaleza de las cosas “continuo-discreto, en objetos, y como corolario pensar de modo discreto, que no continuo, con independencia de la naturaleza ontológica de las “cosas”.

A pesar de la opinión de muchos físicos teóricos, yo sostengo que  seguramente, como defiende Jean-Marc Lévy-Leblond (ver nuestro post: El Discurso Científico, Conceptos Contrarios), no podamos concluir si “algo es “realmente” “discreto o continuo” (abajo os dejo una relación de post previos que abundan sobre estos temas con numerosos ejemplos), ya que depende de nuestra mente, teorías e instrumentaciones. Como dice la mal denominada Ley de Campo Amor:   Nada es verdad o es mentira, todo depende del cristal con que se mira. Sustituyamos cristal por aparato cognitivo, lenguaje, teoría e instrumentación (…) y posiblemente tal ¿Ley?, sea acertada, al menos en este contexto.

Sobran pues los ataques entre escuelas rivales sobre la realidad de la antonimia continuo-discreto, muy abundantes en la bibliografía. Este tipo de controversias lo único que constata es nuestro analfabetismo por otros ámbitos del conocimiento humano, que solemos soslayar como científicos, y que, de hecho, nos ayudarían a erradicar las telarañas de nuestros confusos e ignorantes pensamientos.

Posiblemente ni en el mundo de la mecánica cuántica ni en cualquier otro, existan hondas puras o partículas puras. Siendo nuestras humanas limitaciones las que nos hacen divagar por laberintos sin salida¿Qué serian pues?: “otro ente” (ya no podemos utilizar cosa… por lo  de“cosificar”) que no sabemos/podemos imaginar y, como corolario menos aún, describir y comprender en toda su plenitud

Juan José Ibáñez

Os dejo abundante información sobre el tema…….

El Juego del lenguaje

Para comprender lo que se ha dicho es necesario considerar que Wittgenstein compara los diferentes lenguajes con el modo en que jugamos un juego. El error de base de las teorías corrientes ha consistido en la creencia de que el lenguaje tendría una “esencia” que habría que poner en manifiesto. Pero no hay nada de eso. En lugar de esa oculta esencia, sólo debemos prestar atención a lo que ahora estudiaremos, el lenguaje; y observar cómo funciona; pues el significado de una palabra es su uso en el lenguaje. En lugar de la cuestión por la esencia o “esqueleto lógico”, ahora se impone la pregunta por el uso.

Al plantearse esta cuestión, no es difícil ver que tales usos son diversos e innumerables, que no hay “un” lenguaje (según había creído el Tractatus), sino que lo que hay en verdad son lenguajes, o formas de vida (…) La pregunta: “¿Qué es verdaderamente una palabra?” es análoga a “¿Qué es una pieza de ajedrez?”

Es obvio que la pieza de ajedrez no es ni su material ni su forma o figura, sino lo que le dicta la regla del juego. (…)Wittgenstein insiste en que no hay una esencia “juego”, como algo en común de lo que participasen los diversos juegos y con ayuda del cual los pudiésemos “definir”. Entre los diversos y variadísimos  “juegos”, sólo puede discernirse cierta similitud o “familiaridad”.

A este respecto tal dualidad es definida así en Wikipedia:

La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula es un fenómeno cuántico, bien comprobado empíricamente, por el cual muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros experimentos. Dado ese comportamiento dual, es típico de los objetos mecanocúanticos, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas y como ondas exhiben el fenómeno de la interferencia.

De acuerdo con la física clásica existen diferencias claras entre onda y partícula. Una partícula tiene una posición definida en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.

Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. (Stephen Hawking, 2001)

Este es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral, inspirada en experimentos sobre la difracción de electrones, propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargo, Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo.

Quizás para muchos de vosotros sea más sencilla la explicación de Francisco R. Villatoro de la que extraigo el siguiente fragmento:

La dualidad onda-partícula es el hecho de que un electrón cuando realizamos un experimento para ver su naturaleza como partícula (onda) se comporte como una partícula (onda), siendo fiel reflejo del principio de incertidumbre de Heisenberg, la complementaridad de Bohr, el hecho de que el experimento altera la “naturaleza” del sistema cuántico medido. Muchos experimentos han demostrado esta “doble” naturaleza del electrón (en realidad el electrón no es ni una onda, ni una partícula, sino que es otra cosa que puede ser observada como partícula u onda, según el experimento, pero que no sabemos observar de ninguna otra forma).

El observador determina el estado de una partícula incluso en el espacio  Publicado en Tendencias21

Físicos italianos han comprobado que, incluso en grandes distancias, la dualidad onda partícula no se resuelve hasta que el observador lo decide.

Una experiencia propuesta en 1978 por el físico John Wheeler ha sido realizada de nuevo utilizando satélites en el espacio, sobre los cuales rebotaban fotones emanados de un láser. La distancia recorrida por los fotones ha sido de 3.500 kilómetros y los resultados obtenidos confirman las predicciones de la mecánica cuántica. Se trata de la ‘experiencia de elección retardada’ de Wheeler, que consiste en que a una partícula en movimiento se le da la opción de actuar como una partícula (objeto) o como una onda, con la finalidad de determinar en qué momento la partícula decide el estado con el que va a continuar su trayectoria.

Lo que se ha comprobado es que la partícula no decide su estado hasta que el observador se pronuncia configurando el instrumento de medida, que es el que determina el estado final de la partícula (onda o corpúsculo). Esto se ha comprobado en laboratorio, en espacios limitados (hasta 50 metros), pero hasta ahora no se sabía si este fenómeno podía ocurrir a distancias más largas.

Francesco Vedovato y Paolo Villoresi, de la Universidad de Padua, y su equipo, quisieron averiguar lo que pasaría con la experiencia de elección retardada si se realizaba con la ayuda de un rayo láser recorriendo una larga distancia.

Tal como se explica en un artículo publicado en Science Advances, se valieron de los instrumentos disponibles en el Matera Laser Ranging Observatory (MLRO) italiano para realizar un interferómetro de Mach-Zender gigante, conectando el observatorio terrestre y los satélites en órbita a través de un rayo láser. El interferómetro de Mach–Zehnder es un dispositivo utilizado para determinar las variaciones de cambio de fase relativas entre dos haces de luz paralelos emanados de una misma fuente de luz.

A pesar de la distancia aproximada de 3.500 kilómetros recorrida por los fotones durante el experimento, la experiencia de elección retardada de Wheeler proporcionó los mismos resultados obtenidos en los experimentos terrestres anteriores, lo que confirma la validez universal de las ecuaciones de la física cuántica, según los investigadores.

El resultado obtenido, tanto en términos del significado físico fundamental como de las técnicas experimentales utilizadas, estimulará aún más las aplicaciones de las comunicaciones cuánticas en el espacio, añaden los científicos.

DUALIDAD TAMBIÉN EN EL ESPACIO

La dualidad onda-partícula es un fenómeno cuántico, bien comprobado empíricamente, por el cual muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos experimentos, mientras en otros aparecen como partículas compactas y localizadas (corpúsculos).

Sin embargo, no es posible concebir un experimento en el que ambos rasgos se observen al mismo tiempo, y por esta razón los físicos se han preguntado si la configuración experimental (el observador) es el que causa el comportamiento ondulatorio o corpuscular de las partículas.

Esto fue lo que llevó a John Wheeler a introducir la idea de un experimento de elección tardía, es decir, un experimento que espera a que la partícula haya hecho su elección (onda o corpúsculo) para proceder a su medición (determinar su presencia en el espacio). Wheeler quiso retrasar la medición durante un experimento para ver si la partícula elegía por sí misma su futuro, pero descubrió que ese tiempo adicional concedido a la partícula no cambia las cosas, ya que finalmente se comporta según las indicaciones del observador (la configuración del instrumento de medida).

Lo que ha descubierto el nuevo estudio es que en el espacio este fenómeno se reproduce con la misma exactitud que en un laboratorio terrestre. No importa la distancia concedida a la partícula para decidir su manifestación: la partícula espera la instrucción del observador para elegir su comportamiento.

De esta forma, gracias a las distancias espaciales, se ha confirmado una de las suposiciones de la teoría cuántica: que la partícula conserva la dualidad onda partícula en largas distancias, durante todo el tiempo de experimento, en un contexto, el espacio, en el que la gravedad podría jugar un papel. La naturaleza de un fotón permanece indefinida incluso a lo largo de miles de kilómetros.

Referencia bibliográfica:

Extending Wheeler’s delayed-choice experiment to space. Francesco Vedovato1, Costantino Agnesi1, Matteo Schiavon1, Daniele Dequal1, Luca Calderaro1, Marco Tomasin, Davide G. Marangon, Andrea Stanco, Vincenza Luceri, Giuseppe Bianco, Giuseppe Vallone and Paolo Villoresi. Science Advances 25 Oct 2017: Vol. 3, no. 10, e1701180. DOI: 10.1126/sciadv.1701180

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