Debate Bohr-Einstein

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Niels Bohr con Albert Einstein en casa de Paul Ehrenfesten Leiden (Diciembre de 1925)

El debate Bohr-Einstein es un nombre popular dado a una serie de disputas públicas entre Albert Einstein y Niels Bohr acerca de la física cuántica. Sus "debates" son muy recordados debido a su importancia en la filosofía de la ciencia. El sentido y significación de estos debates son escasamente comprendidos, pero su gran importancia fue tenida en cuenta por el propio Bohr y escrita en su artículo "Discusiones con Einstein sobre los Problemas Epistemológicos en la Física Atómica" publicados en un volumen dedicado a Einstein.

La posición de Einstein con respecto a la mecánica cuántica es significativamente más sutil y de mente más abierta de lo que ha sido a veces presentado en los manuales técnicos y artículos científicos populares. Sus poderosas y constantes críticas a la mecánica cuántica obligaron a sus defensores a aguzar y refinar su comprensión acerca de las implicaciones filosóficas y científicas de sus propias teorías.

Debates pre-revolucionarios[editar]

Einstein fue el primero de los físicos en señalar que el descubrimiento de Plank del cuánto de acción (h) implicaba reescribir la física. Con objeto de probar esta afirmación, en 1905 propuso que la luz actuaba a veces como una partícula a la que llamó cuanto de luz (actualmente llamado fotón). Bohr fue uno de los mayores oponentes verbales a la idea del fotón y no llegó a abrazarla abiertamente hasta 1925.[1] Su posterior habilidad para trabajar creativamente con una idea a la que él se había resistido tan largamente es bastante inusual en la historia de la ciencia. El fotón llamó la atención a Einstein porque él lo vio como una realidad física (aunque confusa) detrás de los propios números. A Bohr le desagradaba porque hacía arbitrarias ciertas soluciones matemáticas. No le gustaba que los científicos tuvieran que elegir entre distintas ecuaciones.[2]

1913 trajo el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno que hacía uso del cuánto de Plank para explicar el espectro atómico. Einstein estuvo al principio dubitativo, pero rápidamente cambió de idea y lo aceptó. Él toleró el modelo de Bohr a pesar del hecho de que su realidad subyacente no podía ser representada en detalle, porque lo consideró un trabajo en progreso.

La revolución cuántica[editar]

La revolución cuántica a mediados de los años veinte ocurrió bajo la dirección de Einstein y Bohr, y sus debates post-revolucionarios fueron acerca de cómo darle sentido a tal cambio. Los choques para Einstein comenzaron en 1925 cuando Werner Heisenberg introdujo ecuaciones matriciales que eliminaban los elementos Newtonianos del espacio y el tiempo de cualquier realidad subyacente. El siguiente golpe sucedió en 1926 cuando Max Born propuso que la mecánica debía ser entendida como una 'probabilidad' sin ningún tipo de explicación causal. Finalmente, a finales de 1927, Heisenberg y Born declararon en la Conferencia Solvay que la revolución había sido completada y no era necesario ir más allá. Fue en ese último estadio donde el escepticismo de Einstein se convirtió en un auténtico desmayo. Él creía que había muchos frutos recogidos, pero que las razones profundas de la mecánica distaban mucho de haber sido comprendidas.[2]

Einstein rehusó aceptar la revolución como completa, reflejando su rechazo en la idea de que las posiciones en el espacio-tiempo nunca podrían ser completamente conocidas, por el hecho de que las probabilidades cuánticas no reflejaban las causas subyacentes. No rechazaba las estadísticas o las probabilidades en sí mismas y el propio Einstein era una gran pensador estadístico. Era la ausencia de una razón o explicación para los eventos concretos, más allá de su mera predicción estadística, lo que Einstein rechazaba.[2] A Bohr, mientras tanto, para nada le afectaban ninguno de los elementos que tanto procupaban a Einstein. Él hizo su propio arreglo con las contradicciones proponiendo un principio de complementariedad que enfatizaba el papel del observador sobre lo observado.[1]

Post-Revolución: primera etapa[editar]

Como se menciona arriba, la posición de Einstein trajo consigo modificaciones significativas con el transcurso de los años. En la primera etapa, Einstein se negó a aceptar el indeterminismo cuántico y trató de demostrar que el principio de indeterminación podía ser violado, sugiriendo ingeniosos experimentos mentales que permitirían una determinación precisa y simultanea de variables incompatibles, tales como velocidad y posición, o revelar explícitamente y al mismo tiempo los aspectos ondulatorios y corpusculares del mismo proceso.

El primer ataque serio de Einstein a la concepción "ortodoxa" tuvo lugar durante la 5ª Conferencia de Física en el Instituto Solvay en 1927. Einstein apuntó la posibilidad de aprovechar las leyes de conservación de la energía y del impulso momento para obtener información del estado de una partícula en un proceso de interferencia que de acuerdo con el principio de indeterminación o complementariedad, no debería ser accesible.

Figura A. Un cañón monocromático (donde todas las partículas poseen el mismo 'impulso') encuentra una primera pantalla, se difracta, y la onda difractada encuentra una segunda pantalla con dos rendijas, resultando la formación de una figura de interferencia en la pantalla al fondo. F. Como siempre, se asume que solo una partícula cada vez, es capaz de atravesar el mecanismo completo. <img src="pus.img"> De la medición del recodo de la pantallaS1, de acuerdo con Einstein, puede deducirse cúal es la rendija que la partícula ha atravesado sin destruir los aspectos ondulatorios del proceso.

Para seguir su argumentación y evaluar la respuesta de Bohr, es conveniente referirnos al aparato experimental ilustrado en la figura A. Un cañón de luz perpendicular al eje X que se propaga en la dirección z encuentra una pantalla S1 que presenta una estrecha (con respecto la la longitud de onda del rayo) rendija. Después de haber pasado a través de la rendija, la función de onda se difracta con una apertura angular que causa el encuentro con una segunda pantalla S2 que presenta dos rendijas. La propagación sucesiva de la onda da como resultado la formación de una figura de interferencia en la pantalla final  F.

Al pasar a través de las dos rendijas de la segunda pantalla S2, los aspecto ondulatorios del proceso se vuelven esenciales. De hecho, es precisamente la interferencia entre los dos términos de la superposición cuántica correspondiente a los estados en que la partícula es localizada en una de las dos rendijas lo que implica que la partícula sea "guiada" preferiblemente dentro de las zonas de interferencia constructiva y no pueda terminar en un punto de las zonas de interferencia destructiva (en el cual la función de onda se anula). Es también importante darse cuenta de que cualquier experimento diseñado para evidenciar los aspectos corpusculares del proceso y el hecho de atravesar la pantalla S2 (que, en este caso, se reduce a determinar qué rendija ha sido atravesada) inevitablemente destruye los aspectos ondulatorios, implicando la desaparición de la figura de interferencia y provoca la aparición de dos figuras de difracción concentradas que confirman nuestro conocimiento acerca de la trayectoria seguida por la partícula.

En este punto Einstein juega con la primera pantalla y argumenta lo siguiente: ya que las partículas incidentes tienen velocidades (prácticamente) perpendiculares a la pantalla S1, y ya que solo la interacción con ella puede causar la la deflexión de la dirección original de propagación, por la ley de conservación del impulso que implica que la suma de los impulsos de los sistemas que interactúan sea conservada, si la partícula incidente se desvía hacia arriba, la pantalla reaccionaría hacia abajo y viceversa. En condiciones realísticas la masa de la pantalla es tan pesada que permanecerá estacionaria, pero, en principio es posible medir incluso una reacción infinitesimal. Si imaginamos que medimos el impulso de la pantalla en la dirección X después de que cada partícula simple ha pasado, podemos saber a partir del hecho de que la pantalla se ha movido hacia abajo (arriba), que la partícula en cuestión se ha desviado hacia arriba (abajo) y por tanto podemos saber a través de qué rendija en S2 ha pasado. Así, como la determinación de la dirección del rebote de la pantalla se realiza después de que la partícula ha pasado, ello no puede influenciar el desarrollo sucesivo del proceso y tendremos todavía la misma figura de interferencia en la pantalla F. La interferencia tiene lugar precisamente porque el estado del sistema es de superposición de dos estados cuyas funciones de onda son no nulas precisamente cerca de las dos rendijas. Por otro lado, si cada partícula pasa solo a través de la rendija b o de la rendija c, entonces el conjunto de los sistemas es la mezcla estadística de los dos estados, lo cual significa que la interferencia no es posible. Si Einstein está en lo cierto, entonces hay una violación del principio de indeterminación.


La respuesta de Bohr fue ilustrar la idea de Einstein más claramente a través de los diagramas en las figuras B y C. Bohr observa que el conocimiento extremadamente preciso de cualquier movimiento (potencial) vertical de la pantalla es una presunción esencial en el argumento de Einstein. De hecho si su velocidad en la dirección X antes del paso de la partícula no es conocida con una precisión sustancialmente mayor que aquella que la inducida por la reacción de la pantalla(es decir, si se estuviera moviendo ya, verticalmente con una velocidad más grande y desconocida que la que se deriva como consecuencia del contacto con la partícula), entonces la determinación de su movimiento después del paso de la partícula no daría el resultado que buscamos. No obstante, continúa Bohr, una determinación extremadamente precisa de la velocidad de la pantalla, cuando aplicamos el principio de indeterminación, implica una inevitable imprecisión de su posición en la dirección X. Antes de que el proceso empiece siquiera, la pantalla ocuparía una posición indeterminada de cierta extensión al menos (definida por el formalismo). Ahora consideramos, por ejemplo, el punto d en la figura A, donde no hay una interferencia destructiva.

Es obvio que cualquier desplazamiento de la primera pantalla haría que las longitudes de los dos caminos, a-b-d y a-c-d, fueran diferentes de las indicadas en la figura. Si la diferencia entre los dos caminos varía en media longitud de onda en el punto d tendríamos una interferencia constructiva en lugar de destructiva. El experimento ideal debería promediar todas las posiciones posibles de la pantalla S1, y, para cualquier posición, le corresponde a cada punto fijo F, un tipo diferente de interferencia, desde la perfectamente constructiva hasta la perfectamente destructiva. El efecto de este promedio es que el patrón de interferencia sobre la pantalla F será uniformemente gris. Una vez más, nuestro intento de evidenciar los aspectos corpusculares en S2 ha destruido la posibilidad de interferencia en F que depende crucialmente de los aspectos ondulatorios.

Figura C. Para realizar la propuesta de Einstein, es necesario reemplazar la primera pantalla en la Figura A (S1) por un diafragma móvil que pueda desplazarse verticalmente tal como éste propuesto por Bohr.

Debería tenerse en cuenta, como reconoció Bohr, que para entender este fenómeno es decisivo que a diferencia de las mediciones clásicas el propio aparato de medida es también parte del sistema y el formalismo mecanocuántico debe aplicarse al sistema completo en el que está incluido. De hecho, la introducción de cualquier dispositivo nuevo, como un espejo, en el camino de la partícula, podría introducir nuevos efectos de interferencia que influirían esencialmente en las predicciones sobre los resultados que serían finalmente observados.

El argumento de Bohr acerca de la imposibilidad de usar el aparato propuesto por Einstein para violar el principio de indeterminación depende crucialmente del hecho de que un sistema macroscópico (la pantalla S1) obedece a leyes cuánticas. Por otro lado Bohr afirmó consistentemente que para ilustrar los aspectos microscópicos de la realidad era necesario instalar un proceso de amplificación dentro de aparatos macroscópicos, cuya característica fundamental es la de obedecer a las leyes clásicas que se pueden describir en términos clásicos. Esta ambigüedad regresaría más tarde en la forma en que comúnmente se conoce todavía y se denomina hoy: el problema de la medida.

Aspectos psicológicos del debate[editar]

Algunos autores [E.G.Granda] han llamado la atención sobre los aspectos psicológicos en el fondo del debate, que admiten un análisis interesante.

De acuerdo con la psicología de Carl Gustav Jung, tanto Bohr como Einstein constituirían un claro ejemplo de dos tipologías diferentes, que debaten dos maneras muy diferentes de entender la realidad.

Bohr es un tipo sensato, y la sensación es una función psicológica muy desarrollada.

ESTJ Tipo psicológico de Niels Bohr. Construye su visión según lo concreto, palpable y medible

Esta constitución anímica explica el énfasis puesto en lo 'observable' y la 'observación' como indicativo principal de 'realidad'. La interpretación de Copenhague es un buen ejemplo de la perspectiva que un individuo de tipología ESTJ tiene sobre la realidad.

Albert Einstein es por el contrario un tipo fuertemente intuitivo y por ello trató siempre de adoptar una interpretación realista de la física. Como todos los intuitivos tiende a enfatizar la 'realidad' de los 'principios generales' y 'leyes univesales'. La Teoría 'General' de la Relatividad es un claro ejemplo de búsqueda de un 'principio universal', que para él constituía el objetivo último de la física.

Bohr, como buen sensitivo, se conformaba con que el objeto de la física se redujese a la mera predicción de mediciones experimentales.

INTP Tipo psicológico de Albert Einstein. Construye su visión del mundo basada en principios generales.


La Interpretación de Bohm es un ejemplo de visión intuitiva y corresponde a una tipología INTP como la del propio Einstein. Otros tipos e interpretacíones intermedias son también posibles.

Tanto Bohr como Einstein son científicos y en ellos la función Pensamiento predomina, lo cual permitía el dialogo entre ambos a pesar de sus diferencias. El 'Pensamiento' es una función calificadora que ambos compartían y les permitió llegar a conclusiones.

Este debate nuevo en la física, no lo es sin embargo en la filosofía como muestra la historia tanto en el Budismo entre la filosofías Vaibhasika y la Cittamatra, como entre los filósofos griegos presocráticos.

El hecho de que éste tipo de debate aparezca en ámbitos y épocas muy distintas, de manera recurrente, sugiere la influencia de un patrón arquetípico en el trasfondo de dichos debates.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  • Boniolo, G., (1997) Filosofia della Fisica, Mondadori, Milan.
  • Bolles, Edmund Blair (2004) Einstein Defiant, Joseph Henry Press, Washington, D.C.
  • Born, M. (1973) The Born Einstein Letters, Walker and Company, New York, 1971.
  • Ghirardi, Giancarlo, (1997) Un'Occhiata alle Carte di Dio, Il Saggiatore, Milan.
  • González-Granda F.,Eduardo, (2009) Psicología de la Física, Ngal-So Ed., Madrid.
  • Pais, A., (1986) Subtle is the Lord... The Science and Life of Albert Einstein, Oxford University Press, Oxford, 1982.
  • Shilpp, P.A., (1958) Albert Einstein: Philosopher-Scientist, Northwestern University and Southern Illinois University, Open Court, 1951.
  1. a b Pais
  2. a b c Bolles