Artículos - Jayant Kapatker

Física Cuántica y Vedanta

(Primera parte)

En la superficie, la Física Cuántica (FQ) y el Vedanta pueden parecer muy diferentes. Una es parte de la tradición científica y el otro de alguna manera es filosofía, incluso algunos pueden llamarlo religión. La ciencia está tratando de entender el universo de "ahí fuera" y el Vedanta está tratando de entender el universo "dentro de uno". Todo el mundo estará de acuerdo en que sólo hay un universo; tanto "ahí fuera" como "aquí dentro" son partes de un mismo universo. Si esto es cierto, ambos deben tener la misma realidad subyacente. Si tú eres parte del universo, entonces tu realidad subyacente debe ser la misma que la realidad subyacente del universo "ahí fuera". No puede haber dos realidades independientes para el mismo universo. Tanto la ciencia como el Vedanta están buscando la misma realidad subyacente. Además, ambos comparten puntos en común que vamos a explorar en este artículo.

El objetivo es el mismo, pero el enfoque de la ciencia y el Vedanta son muy diferentes. La ciencia comenzó mirando todos los objetos "ahí fuera" en el universo, su funcionamiento, y de qué están hechos. Cuando la comprensión científica evolucionó, los científicos querían aprender más acerca de estos objetos y comprender los elementos básicos del universo. Empezaron a mirar hacia adentro a partir de las moléculas, y luego los átomos, las partículas subatómicas, los quarks y las cuerdas; ahora están buscando la fuerza unificadora que es el elemento básico del universo. La ciencia ahora se está dando cuenta de que hay una fuerza unificadora, la "Teoría del Todo" o una Singularidad que es la realidad subyacente del universo. ¿Qué podría ser esto? Aquí es donde la ciencia o la física cuántica ha llegado a un escollo. El Vedanta tiene un enfoque diferente; comenzó buscando "aquí dentro" y los antiguos Rishis descubrieron que la fuerza unificadora solo estaba dentro de sí mismos. Comprendieron que esta única fuerza unificadora es también la realidad subyacente del universo. Basándose en esto, postularon que esta única realidad entonces se divide en un número infinito de objetos diversos y este es el universo físico que vemos.

Básicamente la Ciencia comenzó desde "ahí fuera" y luego se movió hacia el interior para encontrar la realidad subyacente. El Vedanta comenzó desde "aquí dentro" y luego se movió hacia afuera para comprender el universo. El objetivo final de ambos es el mismo.

La Física, que es una parte importante de la ciencia, se puede dividir en 2 secciones o fases distintas:

― Física Clásica
― Física Cuántica

La física clásica comenzó con Newton, quien hizo muchos descubrimientos diferentes y formuló muchas leyes diferentes, que son relevantes incluso hoy en día. Las leyes de Newton no se centran en objetos de nivel atómico, sino en macro-objetos que podemos ver a nuestro alrededor. Basándose en estas leyes, la gente creía que el universo era una máquina gigante, donde se puede predecir fácilmente el movimiento de los planetas y de los objetos en ellos. De esta manera ellos sabían exactamente lo que estaba pasando en este universo y de alguna manera podrían incluso predecir los futuros movimientos de los cuerpos celestes. Los físicos pensaban que sabían todo del universo y no había nada nuevo que descubrir.

En el siglo 20, las cosas tomaron un giro dramático. Cuando los físicos comenzaron a explorar las partículas a nivel atómico, se encontraron con que ninguna de las leyes clásicas eran aplicables a estas partículas. La física clásica se hizo obsoleta en los niveles atómicos y subatómicos. Para entender y explicar los eventos en el terreno de lo subatómico, nació la física cuántica.

Como veremos en la siguiente sección, las partículas subatómicas se comportan de forma impredecible. La física cuántica está haciendo todo lo posible para proporcionar una explicación adecuada que tiene sus raíces en la ciencia y el apoyo de los experimentos. A veces, una partícula es una "onda" y en algunas otras ocasiones se trata de una "partícula". Este descubrimiento marcó el punto de partida de la física cuántica. La física cuántica ha explorado esta contradicción en el último siglo. Muchas preguntas han sido respondidas satisfactoriamente, pero con cada respuesta se plantean nuevas preguntas. Y así, la búsqueda de respuestas no parece terminar. Algunas de las preguntas no pueden y no serán respondidas por la ciencia, porque están fuera del alcance de la ciencia. Vamos a tratar todas estas cuestiones en este artículo.

En muchos sentidos, esto es bastante similar al Vedanta. El Vedanta nos enseña que la mente está hecha de ondas o "vrittis" y estas "ondas mentales" se convierten en los objetos que vemos a nuestro alrededor en este universo físico. ¿Son las "ondas" descritas por la física cuántica lo mismo que las "ondas" en la mente? Creo firmemente que ambas son lo mismo y esto puede ser el terreno común entre la física cuántica y el Vedanta. El objetivo de este artículo es demostrar que esto es cierto. Esto ayudará a aplicar los principios del Vedanta en la física cuántica, que, todo hay que decirlo, sigue una lógica rigurosa, que cualquier mente científica estará satisfecha. Esto ayudará a resolver muchas de las preguntas sin respuesta a las que se enfrenta la física cuántica. Y ese es el objetivo principal de este artículo.

¿Qué es la Física Cuántica? ― Una breve visión general

La física cuántica es el estudio del comportamiento de la materia y la energía en los niveles microscópicos moleculares, atómicos, nucleares, e incluso aún más pequeños. Vamos a dar una visión general de la física cuántica, poniendo de relieve algunos de los acontecimientos clave que son relevantes para este artículo.

La luz es una onda

En 1805, Thomas Young demostró que la Luz era una onda. Utilizó el famoso experimento de la doble rendija. Había una fuente de luz y frente a ella había una barrera y esta barrera tenía dos rendijas. En el otro lado de la barrera había una placa fotográfica para estudiar la propagación de la luz a través de las rendijas. El resultado en la placa fotográfica claramente demostró que la luz no era una partícula sino una onda. Si se tratara de una partícula, habría sólo 2 bandas en la placa, pero la placa mostró múltiples bandas, lo que demuestra que la luz era una onda que pasaba a través de las dos rendijas y luego se combinaba a partir de todas las diferentes bandas. Vea el siguiente video (en inglés) en YouTube.

La luz es una partícula

En 1905 Einstein publicó un documento sobre el fenómeno "Efecto Fotoeléctrico", que mostró que la luz es una partícula. En 1921, Einstein recibió el Premio Nobel por este descubrimiento. Es sorprendente que le dieran el Premio Nobel por este descubrimiento y no por la "Teoría de la Relatividad", por la que es más conocido. En este experimento, se hace brillar una luz (que es una onda) sobre un metal fotoconductor y se obtiene la luz reflejada en el otro lado. En el estudio u observación de esta luz reflejada, Einstein descubrió que la luz reflejada no era una onda, sino que se componía de paquetes de energía. Cada paquete es una unidad de energía fija y este paquete es conocido como un fotón y tiene todas las características de una partícula.

Max Planck también descubrió la emisión de fotones o paquetes discretos de energía cuando trató de comprender la emisión de energía de un cuerpo negro. Dependiendo del color del cuerpo negro calentado, se emiten fotones con diferentes niveles de energía. Cuanto más caliente está el cuerpo negro, mayor será el nivel de energía en los fotones emitidos. Además, estos fotones de mayor energía tenían una mayor frecuencia de luz, en comparación con los fotones de menos energía que tenían una menor frecuencia de luz.

Mayor frecuencia = Mayor energía de fotones

El experimento de la doble rendija explicado anteriormente fue un poco actualizado, en lugar de dos rendijas, sólo había una rendija. La luz pasaba a través de una sola rendija y luego sobre una placa fotográfica. En el experimento de las dos rendijas, se encontraron con una serie de bandas en la placa fotográfica, lo que sugiere que la luz era una onda. Cuando se utilizó una sola rendija, se encontraron con una sola banda en la placa fotográfica, lo que sugiere que la luz era una partícula y no una onda. Lo curioso de este experimento es, ¿qué hizo que la luz se comportara como una onda cuando había dos rendijas y luego se comportara como una partícula cuando sólo había una rendija? Este experimento se repitió una y otra vez y el resultado fue siempre el mismo. Había algo que le estaba diciendo a la luz cuándo tenía que comportarse como una onda y cuándo tenía que comportarse como una partícula. Este dilema fue el nacimiento de la física cuántica.

La materia es a la vez una onda y una partícula

Por lo tanto, la luz exhibe propiedades tanto de una "onda" como de una "partícula". En 1923, de Broglie, un estudiante francés de doctorado hizo la audaz afirmación de que no sólo la luz, sino que toda la materia debe tener ambas propiedades de "onda" y "partícula". Aquí materia significa la materia, incluyendo tú, yo, los planetas, los coches, en realidad todos los objetos vivientes o no vivientes en este universo. El árbol en frente de ti es una partícula, y utilizando la fórmula de De Broglie; también se puede calcular la longitud de onda del árbol basándose en su contenido energético. En 1927, la hipótesis de De Broglie fue probada experimentalmente ― por lo tanto, toda la materia es tanto una onda como una partícula. En 1929, de Broglie fue galardonado con el Premio Nobel por su teoría. Él fue el único en recibir un Premio Nobel basándose en su tesis doctoral.

¿Cómo podemos comprender que todo lo que existe es a la vez una partícula (materia) y una onda (no-materia)? ¿Es posible? El árbol afuera de mi ventana definitivamente se ve como una partícula, por lo que la pregunta es cuándo es el árbol una "onda". ¿Es siempre una "onda"? Tiene que ser una "onda" de otro modo la teoría de De Broglie sería errónea. Vamos a tratar de entender esto. Si doy la espalda al árbol, ¿sigue siendo el árbol una "partícula"? ¿Está el árbol aún ahí? Realmente no puedes estar seguro, porque no estás viendo el árbol. Tal vez el árbol es ahora una "onda".

Este tipo de lógica se puede aplicar a todos los objetos en el universo incluyendo cualquier ser vivo. Por ejemplo, tú estás hablando con tu amigo sentado en frente de ti. Estás seguro de que él es una "partícula" porque lo tienes justo delante de ti y puedes verlo. Ahora te mueves hacia la habitación de al lado y ya no puedes ver a tu amigo. ¿Es ahora posible que tu amigo se haya convertido en una "onda"? Al volver a la sala; tu amigo es de nuevo una "partícula". Todo esto puede sonar extraño, pero esto es lo que pasa cuando tratas de entender la física cuántica. Ahora pregunta a tu amigo ¿"eras una onda" hace un momento? Puede pensar que te has vuelto loco, pero por cortesía te confirmará que siempre ha sido una partícula. El amigo puede querer jugar el mismo juego contigo. Él puede decirte que no te he visto cuando te has ido a la habitación de al lado, ¿eras una "onda" hasta que volviste a esta sala y te vi de nuevo? Él tiene un punto de vista válido. Cuando te fuiste a la habitación de al lado, podías pensar que tu amigo es una onda y tu amigo también pensaría que tu eras una onda.

Mirando el ejemplo del árbol y de tu amigo, se sugiere que algo en tu presencia siempre sería una partícula, pero si hay algo que no está en tu presencia podría significar que se trata de una "onda". Tu presencia es necesaria para que cualquier cosa sea una partícula. Esta es la implicación de la teoría de De Broglie.

¿Puede algo ser una "onda" y una "partícula" al mismo tiempo o debe ser una "onda" o una "partícula" en un momento dado? Si el árbol es una partícula, entonces no puede ser una "onda" al mismo tiempo, y viceversa. La ciencia no tiene respuesta a esta pregunta. He aquí algunos elementos de reflexión ― si un objeto es una partícula, entonces, ¿dónde reside la onda? ¿Es la onda también parte de este sistema espacio-temporal o reside en otra dimensión?

La hipótesis de De Broglie genera tantas preguntas sobre la materia siendo una "onda" o una "partícula. Por desgracia, la ciencia no las ha respondido hasta el momento. En las próximas secciones vamos a tratar de comprender estas preguntas usando las enseñanzas del Vedanta.

La Función de Onda de Schrödinger

Al igual que la ley de Newton del movimiento es el corazón de la física clásica, la función de onda de Schrödinger es el corazón de la física cuántica. Para entender la parte de "onda" de la teoría de De Broglie, Schrödinger formuló una ecuación compleja para la función de onda. Sin ser demasiado técnico, la ecuación de onda de Schrödinger está representada por lo siguiente:

1. La ecuación de Schrödinger representa un sistema físico y este sistema físico siempre consta de un sistema de observación y un sistema observado. El sistema observado es una función de onda, y esta función de onda es la componente onda de la dualidad onda/materia como fue postulado por de Broglie. La hipótesis de De Broglie dice que cada objeto en este universo es tanto una "partícula" como una "onda", la parte de la onda puede ser representada por la ecuación de onda de Schrödinger y esta onda está siendo observada por el sistema de observación.

2. La ecuación de onda de Schrödinger sólo representa a las ondas "estacionarias" y no a las ondas "viajeras". Vemos las ondas viajeras cuando arrojamos una piedra en un estanque y vemos las olas/ondas que viajan hacia el exterior, o cuando vemos las olas/ondas en el océano. Las ondas estacionarias a su vez son ondas que se propagan en un entorno cerrado; siguen rebotando en las "paredes" cerradas. Los electrones, en tanto que ondas, son ondas estacionarias, porque están encerrados dentro de un átomo. Para que el sistema de observación observe una onda estacionaria debe estar encerrada en algún tipo de entorno.

3. La ecuación de onda de Schrödinger es una ecuación genérica que representa todas las posibles funciones de onda estacionaria en el universo. Las principales variables de la ecuación de onda de Schrödinger son el tiempo y la energía. Si se introducen las variables correctas para un sistema observado en particular, la ecuación de onda de Schrödinger representará esa función de onda. Si se introducen las variables de energía de la onda del electrón, la ecuación de Schrödinger representará la función de onda del electrones a través del tiempo. Comprender la estructura de energía de los electrones, fotones, moléculas y otros micro-objetos es más simple, por lo tanto es posible aplicar las ecuaciones de onda de Schrödinger a estas funciones de onda. Los macro-objetos tienen funciones de onda más complejas y es mucho más difícil introducir sus variables para crear la función de onda de Schrödinger. En conclusión, podemos decir que la ecuación de onda de Schrödinger es aplicable en cada función de onda ya sea simple o compleja. La única limitación es que la ciencia aún no entiende las variables de entrada necesarias para las ondas complejas que representan macro-objetos como tú, yo o los coches y los planetas.

4. Puedes convertir la función de onda de Schrödinger en una función de onda de probabilidad elevando al cuadrado la función de onda. La función de onda de probabilidad contiene todos los resultados posibles. Podría haber infinitas posibilidades. Para explicar esto, se da el famoso ejemplo del gato de Schrödinger. Un gato está encerrado en una caja que contiene una ampolla de veneno unida a un detonador atómico. El detonador atómico puede detonar al azar la ampolla de veneno. Uno nunca está seguro si el gato está vivo o muerto en un momento dado. De acuerdo con la función de probabilidad dada por la ecuación de Schrödinger, el gato podría estar vivo o muerto, y también podría estar medio muerto o medio vivo, 1/3 muerto o 2/3 vivo y todas las demás posibles mezclas de ratios entre muerto y vivo. Tiene infinitas posibilidades, pero sólo unas pocas posibilidades lógicas. No puedes tener algo que esté 1/4 vivo y 3/4 muerto.

5. Otro aspecto importante del sistema físico de la ecuación de onda de Schrödinger es el sistema de observación. Cuando este sistema de observación interactúa con el sistema observado en cualquier momento dado, la función de onda del sistema observado colapsa en una sola de las posibilidades lógicas en ese momento determinado. En el ejemplo del gato de Schrödinger, si se abre la trampilla para ver al gato, el gato estará vivo o muerto. Si se encuentra con vida todas las otras posibilidades se reducen a cero. En otras palabras, cuando el sistema de observación interactúa con el sistema observado, la onda se colapsa en una de las posibilidades en ese momento determinado y entonces todas las otras posibilidades tienen cero oportunidades de que ocurran. Hasta que no se abre la puerta de la trampilla, el gato está en una forma de onda con infinitas posibilidades y cuando la puerta se abre por el sistema de observación la onda "gato" colapsa para estar vivo y entonces todas las otras posibilidades se reducen a cero.

En el caso del ejemplo de la doble rendija descrito anteriormente, una onda de luz pasa a través de las dos rendijas, y tiene todas las posibilidades de golpear en cualquier lugar de la placa fotográfica en el otro lado. Cuando la onda de luz toca la placa fotográfica en un lugar determinado, la función de onda de la luz se colapsa en ese punto y ese punto ya no es una onda, sino que muestra las características de una partícula de fotón. Una vez que la función de onda colapsa, en ese punto, la probabilidad es una y la probabilidad en todos los demás puntos es cero. En este caso el sistema de observación es la placa fotográfica que colapsa la función de onda.

Aquí tienes una indicación directa de que la función de onda colapsa solamente en presencia de un sistema de observación. Si no hubiera ningún sistema de observación, el sistema observado seguiría siendo una función de onda. Antes de la interacción con un sistema de observación, el sistema observado era una onda y en el momento después de la interacción con el sistema de observación, la función de onda observada colapsó para convertirse en una partícula.