De los datos a los cuantos
Slobodan Perovic
Universidad de Chicago, $45
Desde que Max Planck introdujo la idea del cuanto en el mundo, los físicos han discutido sobre si la realidad se parece más a la arena o al agua.
El famoso descubrimiento de Planck de 1900 de que la energía es granular, al menos cuando se absorbe o se emite, lo motivó a etiquetar esos pedacitos más pequeños de granos de energía como «cuantos». Pero creía que una vez emitidos, como a la luz de un fuego, esos granos se fundían en ondas suaves y continuas, tal como el agua parece un líquido suave para la percepción humana. Einstein, por otro lado, insistió en que los cuantos de luz viajaban por el espacio por su cuenta, comportándose como partículas que luego se llamaron fotones.
A mediados de la década de 1920, tanto la visión ondulatoria como la corpuscular de la luz habían ganado apoyo experimental, con la paradoja adicional de que los electrones (supuestamente partículas) a veces podían disfrazarse de ondas.
En este campo de controversia entró el famoso físico danés Niels Bohr, el pionero en la exploración de la arquitectura del átomo. Bohr anunció que resolver la paradoja onda-partícula requería una nueva visión de la realidad, en la que ambas nociones compartían un papel en la explicación de los fenómenos experimentales. En experimentos diseñados para observar ondas, encontrarías ondas, ya sean electrones o luz. En experimentos diseñados para detectar partículas, verías partículas. Pero en ningún experimento podrías demostrar ambos a la vez. Bohr llamó a este punto de vista el principio de complementariedad y guió con éxito la búsqueda de la mecánica cuántica durante las décadas siguientes.
Más recientemente, como relata el filósofo Slobodan Perović en From Data to Quanta, el éxito de Bohr ha sido cuestionado por algunos físicos y filósofos e incluso escritores de divulgación científica (SN: 1/19/19, p. 26). La complementariedad ha sido ridiculizada como una aplicación incoherente de una filosofía vaga expresada en un lenguaje incomprensible. Pero como revelan las investigaciones de Perović, tales críticas rara vez se basan en una comprensión profunda de los métodos de Bohr. En lugar de que la filosofía de Bohr contamine su ciencia, argumenta Perović, son los prejuicios filosóficos de sus oponentes los que han llevado a declaraciones erróneas, malentendidos y tergiversaciones de la física de Bohr. Y Bohr no puede ser entendido al intentar entender su filosofía, afirma Perović, porque la filosofía no lo guió, sino los experimentos.
De hecho, el impulso de Bohr por comprender la paradoja onda-partícula fue alimentado por una profunda devoción por comprender la evidencia experimental en su totalidad. Fue el mismo enfoque que tomó el joven Bohr cuando desarrolló su modelo del átomo en 1913 (SN: 13/7/13, p. 20). Varios experimentos sugirieron propiedades del átomo que parecían irreconciliables. Pero Bohr forjó esas pistas experimentales en una «hipótesis maestra» que produjo una comprensión completamente novedosa del átomo y su estructura.
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Perović describe cómo el proceso de Bohr comenzó con hipótesis de nivel inferior derivadas de características dadas directamente por el experimento. Las líneas espectrales (diferentes colores específicos de la luz emitida por los átomos) llevaron a la hipótesis básica de que algún proceso vibratorio, de un átomo mismo o de sus constituyentes, producía radiación electromagnética que mostraba patrones precisos. Sin embargo, las hipótesis intermedias sobre la estructura del átomo no explicaban tales líneas. Y luego Ernest Rutherford, sobre la base de experimentos en su laboratorio, infirió que un átomo era en su mayor parte espacio vacío. Contenía un núcleo central diminuto y denso que abarcaba la mayor parte de la masa, mientras que los electrones ligeros orbitaban a distancia. Pero esa hipótesis no encajaba con los patrones precisos de las líneas espectrales. Y tal átomo sería inestable, persistiendo por menos de un milisegundo. De todas estas hipótesis dispares basadas en experimentos, Bohr aplicó la idea cuántica de Planck para construir una hipótesis maestra. Reconcilió las líneas espectrales y el átomo nuclear de Rutherford con un nuevo modelo atómico, en el que los electrones mantenían la estabilidad del átomo pero saltaban de una órbita a otra, emitiendo patrones específicos de líneas espectrales en el proceso.
Como demuestra Perović, Bohr siguió un curso similar para llegar a la complementariedad. Si bien numerosos experimentos demostraron que la luz era una onda, a principios de la década de 1920, otros experimentos establecieron que los rayos X, luz altamente energética, chocaban con electrones como si ambos fueran partículas (el momento y la energía se conservaban en las colisiones tal como requería la vista de partículas). ). La hipótesis maestra de Bohr, la complementariedad, parecía el único camino a seguir.
A lo largo del libro, Perović relata cómo Bohr ha sido malinterpretado, sus puntos de vista engañosamente combinados con los de otros (como John von Neumann y Werner Heisenberg), y su filosofía retratada incorrectamente como antirrealista, lo que sugiere que solo las observaciones dieron existencia a la realidad. Bohr nunca dijo tal cosa y, de hecho, advirtió contra el uso de un lenguaje tan laxo.
El relato de Perović ofrece un estudio completo de otras investigaciones históricas sobre el trabajo de Bohr y se basa generosamente en los propios escritos de Bohr. Es una presentación matizada y perspicaz de la interacción del experimento y la teoría en el proceso científico. Sin embargo, este libro no es fácil de leer. No es el lugar para buscar explicaciones claras de la física cuántica y la interpretación de Bohr de ella. Perović opta por la minuciosidad académica y el razonamiento cuidadoso con una propensión a las oraciones largas. Pero, de nuevo, los escritos de Bohr tampoco fueron una brisa. De hecho, una queja importante contra Bohr ha sido expresada por autores que dicen que sus escritos son muy difíciles de entender. Es desafortunado que tantos parezcan pensar que debido a que no pueden entender a Bohr, debe haber estado equivocado. El libro de Perović proporciona un antídoto útil para esa actitud.
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