Tuesday, June 27, 2017

Física Cuántica: El Problema de la Medición


Mi carro se rompió el otro día, así pues lo llevé al taller.
El tipo de allí me dijo que él es un mecánico cuántico.
Le pregunté si podía arreglar mi carro o no.
El encogió de hombros y dijo:
"No sé. Primero tengo que mirarlo"


Este esotérico chiste del físico Stephen Hawking se refiere por supuesto a la notoria paradoja física conocida como Problema de la Medida que algunos textos de física explican de una manera simplificada basándose en el fenómeno de la dualidad onda-partícula, como una especie de efecto observador (*) donde los estados cuánticos no pueden ser observados sin ser alterados. O para decirlo de otra forma, tal parece que las partículas cuánticas de alguna forma 'saben' cuando las estamos observando y se comportaran de una u otra forma según cómo las observemos.

El Problema de la Medición simplificado como Efecto Observador

Una explicación alternativa al comportamiento dual onda-partícula se basa en hacer una analogía con las ondas clásicas y la composición espectral de los paquetes de 'ondas piloto' donde resulta imposible determinar con infinita precisión la posición del paquete y su frecuencia o su longitud de onda (que en mecánica cuántica se relaciona con el momentum de la partícula según la relación de De Broglie λ=h/p) lo cual originaría un nivel de incertidumbre en el resultado de la medición de su posición o su momentum.

Sin embargo, en realidad el problema es más profundo que eso y tiene que ver con la naturaleza aleatoria de los estados cuánticos y la formulación estadística de la mecánica cuántica basada en el concepto de la Función de Onda (**) que representa la amplitud de una onda de probabilidades, tal y como se explica a continuación.

La Teoría Cuántica (la cual nunca ha hecho una predicción errónea) plantea que antes que un observador "mire" o mida algo, el mundo físico solo existe como una superposición de todos sus posibles estados simultáneamente (lo cual conduce a otras famosas paradojas como la del Gato de Schrödinger donde el gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo). Esta superposición de estados se describe matemáticamente con una Función de Onda que se obtiene como la solución de alguna de las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica (***). Solo después que se "mira" al mundo es que aparecen las partículas reales (llamadas quanta o cuánticas). Los físicos tampoco están seguros qué significa "mirar".

¿Qué es lo que realmente significa hacer una medición cuántica? Ciertamente sabemos como hacer mediciones pero lo que no sabemos es qué aspectos de la medición son necesarios para producir la existencia del mundo físico. Qué es lo que hace falta para convertir las probabilidades cuánticas en hechos reales, es una pregunta abierta en la física.

La física cuántica no nos dice qué existe sino solamente qué se medirá. Aun más, la teoría dice que no es posible medirlo todo, así que tenemos que escoger (según el Principio de Incertidumbre de Heisenberg) qué magnitudes observables vamos a medir. Solo después de escoger qué medir, la teoría nos da predicciones definidas de la probabilidad de observar valores específicos de la magnitud escogida.

El Experimento de la Doble Rendija


Para explicarlo de otra forma, tomemos como ejemplo el experimento clásico de la doble rendija e imaginemos un diálogo sobre un ‘experimento mental’ de difracción de electrones a través de la doble rendija, donde un físico teórico (FT) y un físico experimental (FE) discuten el posible resultado del experimento:

Experimento de la Doble Rendija

FE: ¿Podrías por favor decirme el resultado de mi experimento predicho por la teoría, de forma tal que yo pueda verificar o falsificar la teoría?

FT: Bueno, en realidad solo puedo decirte la distribución de probabilidades predicha por la teoría de encontrar la partícula en un punto de la pantalla, lo cual puedes verificar si haces un experimento con muchos electrones o si repites el experimento muchas veces, pero para eso tengo que calcular la Función de Onda.

FE: Y qué pasa entonces con los electrones cuando no los estamos mirando, es decir, cuando no los estamos midiendo?
 
FT: Según la Interpretación de Copenhague (así llamada en referencia a la ciudad natal de Niels Bohr considerado el ‘padrino’ de la mecánica cuántica) los físicos no deberíamos hacernos esa clase de pregunta porque lo que sucede con el electrón mientras no lo estamos mirando es “inobservable”. Sin embargo, muchos físicos consideran que esa posición es insatisfactoria y de ahí las tantas interpretaciones que en la actualidad existen de la mecánica cuántica.

FE: De acuerdo. Entonces déjame hacer la pregunta de nuevo. ¿Podrías decirme la distribución de probabilidades que la teoría predice y que yo puedo medir en mi experimento?

FT: Para eso primero tienes que decirme qué vas a medir y cómo vas a medirlo, es decir, qué configuración experimental vas a tener y qué instrumento vas a utilizar.

FE: No entiendo. ¿Por qué tengo yo que decirte eso primero?

FT: Porque mi cálculo depende de eso. Por ejemplo, si las dos rendijas son muy estrechas y están muy cerca una de otra comparadas con la distancia a la pantalla (lo cual permite que los electrones mantengan su estado de coherencia o 'entanglement') y si tus detectores están situados detrás de esa pantalla, entonces los electrones se comportan como ondas y la distribución de probabilidades va a lucir como un patrón de interferencia, similar al que seguro recuerdas del curso de óptica.

FE: Sí, recuerdo muy bien ese patrón de interferencia. ¿Pero qué pasa si entonces yo decido cambiar algo en la configuración de mi experimento, por ejemplo la posición de los detectores?

FT: Pues eso cambiaría la Función de Onda y por tanto la distribución de probabilidades que se podría medir. Para ponerte otro ejemplo opuesto. Si por el contrario tú decides separar las rendijas suficientemente, o hacer las rendijas muy anchas, o acercar tu contador de partículas a una de las rendijas para tratar de detectar un solo electrón, entonces los electrones se comportarán como partículas y la distribución de probabilidades luciría como una secuencia de pulsos muy estrechos; como 'ondas piloto' casi puntuales. Eso es así porque en ese caso tu experimento estaría en lo que llamamos el 'límite clásico' donde la probabilidad calculada a partir de la Función de Onda se reduce prácticamente a la trayectoria clásica de la partícula.

FE: Ya entiendo. Por eso yo tengo que decidir qué voy a medir y cómo medirlo, antes que tú puedas calcular el resultado que la teoría predice que debo obtener.

FT: Así es.

Notas:

* Un ejemplo real del efecto observador en mecánica cuántica es el llamado Zeno Effect (Efecto Zenón) donde experimentalmente se demuestra cómo un sistema cuántico no cambia mientras está siendo observado (como si el sistema se congelara en el tiempo durante la medición).

** En Mecánica Cuántica el estado de una partícula (por ejemplo su posición en el espacio) se describe matemáticamente con una Función de Onda de la siguiente forma:
\Psi (x,t)\,,
Donde x es la posición y t el tiempo. Nótese que esta es una función de valor complejo aunque x y t sean variables reales. Dado que la Función de Onda representa la amplitud de la probailidad, su módulo al cuadrado es un número real positivo que corresponde a la densidad de probailidad que la partícula esté en el punto x en el instante t:
\left|\Psi (x,t)\right|^{2}={\Psi (x,t)}^{*}\Psi (x,t)=\rho (x,t),

*** Las ecuaciones fundamentales de la mecánica cuántica, derivadas a partir de un conjunto de Primeros Principios, incluyen la Ecuación de Schrödinger no-relativista que resuelve el átomo de Hidrógeno y explica la tabla periódica de los elementos químicos, o la correspondiente ecuación relativista dada por la Ecuación de Dirac que explica el spin de las partículas, predice la antimateria, las partículas virtuales generadas por las fluctuaciones del vacio y la energía del punto cero (el vacío físico es visto como un mar de partículas con energía negativa), más las ecuaciones cuánticas de los campos (Quantum Field Theory) que describen tres de los cuatro tipos de campos o interacciones fundamentales que existen (electromagnetismo e interacciones nucleares fuertes y débiles) y constituyen el llamado Modelo Estándar de la física de partcículas elementales. El cuarto campo sería la gravitación que se describe con las ecuaciones del campo de Einstein derivadas de su teoría general de la relatividad.

**** Entre los Primeros Principios en los cuales se fundamenta la Mecánica Cuántica se encuentra el Principio de Superposición de la Función de Onda que dicta como las probabilidades pueden sumarse para calcular el resultado final. Este Principio de Superposición por cierto también se aplica en las computadoras cuánticas donde, a diferencia de las computadoras clásicas, el bit de información puede estar en dos estados simultáneamente (0 y 1), a lo cual se le llama Qbit, y es lo que confiere a las computadoras cuánticas ese enorme poder de cálculo que le permite incluso romper los algoritmos de encriptación clásicos; lo cual ya ha sido demostrado teóricamente.

***** En Filosofía de la Ciencia hay dos clases de aleatoriedad. Una es la aleatoriedad ontológica (teoría del ser) que existe en el mundo natural a nivel fundamental y que en Física Cuántica se describe matemáticamente con una Función de Onda que representa la amplitud de la probabilidad; o para decirlo parafraseando a Einstein, tal parece que a nivel de física fundamental "Dios juega a los dados". La otra es la aleatoriedad epistemológica (teoría del conocimiento) como por ejemplo la aleatoriedad del movimiento de los átomos en un gas, que en la Física Estadística que estudia ensambles de muchas partículas (grandes números) se describe a través de la Densidad de Estados, o a través de valores promedios de la distribución estadística; como por ejemplo la Temperatura definida como el promedio de la energía cinética de los átomos, etc. Nótese que la segunda clase de aleatoriedad no es algo fundamental en la naturaleza, sino que más bien refleja nuestro limitado conocimiento (ignorancia) del sistema; es decir, que "Dios NO juega a los dados" a nivel de física clásica, aunque así lo parezca a veces.


El Dilema del Colapso de la Función de Onda

El Problema de la Medición realmente significa que cuando utilizamos un instrumento para medir una magnitud observable, la Naturaleza entonces produce un resultado real a partir de todos los posibles resultados permitidos por la teoría, a lo cual se le llama colapso de la función de onda, donde la distribución de probabilidades se reduce a un único estado llamado eigenstate o estado cuántico puro; que matemáticamente se describe como un vector es el espacio complejo de Hilbert.

El instrumento en principio puede ser cualquier conjunto de objetos 'clásicos' con el cual el sistema cuántico interactúa; ya sean objetos naturales o artificiales, o ambos. Por ejemplo, el instrumento puede ser algo natural como una célula de la retina del ojo, o artificial y tan complejo como el detector de partículas ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN mostrado en la foto. Pero si el mundo cuántico es solo un mundo de posibilidades, uno se pregunta de dónde salen tales instrumentos de medición reales. ¿Cómo y cuándo en un mundo puramente cuántico apareció el primer "instrumento" que fue capaz de producir la realidad que conocemos a partir de tantas posibilidades? Esta es una paradoja que recuerda el problema del huevo y la gallina para la cual los físicos no tienen una buena respuesta.

Detector ATLAS del LHC en el CERN

Algunos físicos creen que para poder resolver lógicamente estas paradojas hay que considerar la teoría de los Muchos Mundos o Universos Paralelos que plantea que cuando la función de onda colapsa debido a una medición u observación, y solo una de sus posibilidades se materializa en nuestro universo observable, lo que ocurre es que cada otra posibilidad no materializada se realiza en algún otro universo paralelo.

Sin embargo muchos físicos hoy en día consideran que en realidad este problema está intrínsecamente relacionado con ese otro problema fundamental de la filosofía conocido como Problema de la Consciencia y que no será posible tener una respuesta adecuada a estas preguntas hasta que se considere la naturaleza cuántica de la consciencia; ya que medición es sinónimo de observación, y precisamente eso que llamamos "consciencia" es el observador final que colapsa la función de onda al observar la realidad física.

Max Planck, uno de los fundadores de la Física Cuántica, fue el primero que planteó el carácter fundamental de la consciencia en la física cuando dijo "considero que la consciencia es fundamental y que la materia es derivada de la consciencia". Por su parte Erwin Schrödinger, otro de los padres de la Mecánica Cuántica, dijo que "la consciencia no puede ser explicada en términos físicos porque la consciencia es absolutamente fundamental". O como solía decir el célebre físico americano John Archibald Wheeler: "it from bit". Incluso algunos físicos como Eugene Wigner, premio Nobel de Física en 1963, han llegado a plantear que la consciencia es condición necesaria para la existencia de la realidad física. Idea que ha sido extrapolada por otros físicos quienes consideran que, como lo ha expresado el profesor Michio Kaku, eventualmente se necesitaría una cadena infinita de observadores, cada uno observando al otro, y como Wigner implica, esta cadena de observadores colapsando la función de onda en un proceso continuo por consenso sería como una Consciencia Cósmica o Dios.

Hay quienes comparan la física cuántica a un enorme edificio donde los físicos, como laboriosos obreros, han ido completando piso por piso mientras que la base se mantiene soportada por un precario andamio que nadie quiere examinar de cerca por temor a que toda la estructura colapse. A pesar de lo cual los logros de la mecánica cuántica son impresionantes, tanto desde el punto de vista teórico como práctico. Desde los transistores, los chips de silicio en las computadoras y los teléfonos con los LED de la pantalla, hasta los láseres en los escáner del supermercado, todas son aplicaciones de la mecánica cuántica; sin contar su increíble poder explicativo, desde la física de la visión hasta por qué el sol brilla, la teoría cuántica funciona.

Podría decirse entonces que los físicos de hoy han logrado domesticar la mecánica cuántica y hasta han enseñado al gato de Schrodinger a maullar, sin embargo para nosotros los neófitos el universo sigue siendo tan misterioso como los átomos siempre han sido.

En fin, que el problema de la medición cuántica no es un chiste.

Friday, May 5, 2017

El Enigma de la Consciencia

El libro "Quantum Enigma: physics encounters consciuosness", de los físicos Bruce Rozenblum y Fred Kuttner, es uno de los mejores libros de física cuántica recientemente publicados que discute el llamado Problema Duro de la Consciencia * (en inglés, the hard problem of consciousness, según fue enunciado por el filósofo David Chalmers) porque tiene un tratamiento serio y riguroso del problema sin requerir conocimientos avanzados de física o matemática, explorando las implicaciones filosóficas de la mecánica cuántica con relación al concepto de la mente cuántica, incluyendo el Problema de la Medida y su relación con los dos enigmas cuánticos:
  1. Si se requiere un observador para crear la realidad física.
  2. Si, parafraseando a Einstein, Dios juega a los dados, o no.
Históricamente fue Max Planck, uno de los fundadores de la Física Cuántica, quien primero planteó el carácter fundamental de la consciencia en la física cuando dijo "considero que la consciencia es fundamental y que la materia es derivada de la consciencia". También Erwin Schrödinger, otro de los padres de la Mecánica Cuántica, aludió al problema al plantear que, "la consciencia no puede ser explicada en términos físicos porque la consciencia es absolutamente fundamental". Idea que más tarde fue desarrolada en profundidad por David Bohm, John von Neumann, Eugene Wigner y otras luminarias de la física.

El libro sigue esta linea de pensamiento y toca algunos temas relacionados con los prometedores enfoques actuales hacia la Teoría Cuántica de la Consciencia que incluye por ejemplo:
Sinceramente pensamos que este libro debería ser leído por todos los científicos y estudiantes de ciencias; porque nos confronta con varios importantes aspectos filosóficos y metafísicos derivados de la física que normalmente casi nadie quiere asumir. Como físico, este libro es altamente recomendado para todos los estudiantes y colegas que deseen leerlo y discutirlo también.

 

(*) Para los lectores que no estén familiarizados con el Problema de la Consciencia y las investigaciones científicas actuales alrededor de este tema, recomendamos leer la siguiente introducción.

¿Qué es la Consciencia?

Esta pregunta no es nada trivial y posiblemente sea uno de los grandes retos de la ciencia contemporánea. El problema de la consciencia en realidad es una especie de círculo vicioso donde nuestra consciencia está tratando de conocerse a sí misma, lo cual complica el asunto. Un profesor de neurociencias ha planteado el dilema diciendo que, si el problema de la consciencia fuera tan simple que nosotros pudiéramos entenderlo, entonces nosotros seríamos tan simples que no podríamos. O como diría un filósofo, el problema epistemológico en este caso es que el objeto de estudio y el sujeto que lo estudia son la misma cosa.

No obstante, hay algunas cosas que sí podemos entender si al menos comenzamos con una buena definición del problema. Por eso nos parece importante aclarar algunas confusiones que existen sobre el concepto de Consciencia en general, ya que por ejemplo en el idioma español la palabra consciencia tiene varios significados, e incluso se utiliza como sinónimo de conciencia, cuya definición tiende a enfatizar el aspecto moral o de conocimiento del bien y el mal (que no es el tema de este blog). Aparte que estas definiciones de uso común tienden a ser antropocéntricas, es decir, que incorrectamente presuponen que la consciencia es solo un atributo de los seres humanos, ya que como poéticamente dijera un filósofo "si tener consciencia (alma) significa ser capaz de sentir amor, lealtad y gratitud, entonces los animales están mejor que muchos humanos".

O bien porque parte de la confusión tiene una buena razón de ser y se debe a que en la medida que ha avanzado el conocimiento científico, han ido apareciendo nuevas y diversas definiciones en las diferentes ramas del conocimiento donde es aplicable; que van desde la física, la biología, la medicina, la psicología, hasta la filosofía.

De entre las diferentes definiciones de consciencia que existen y puedan existir, nótese que aquí estamos hablando de la Consciencia Autoreflexiva (también a veces llamada meta-consciencia o consciencia de la consciencia) la cual nos da el sentido del Ser (el inefable sentido de que Yo Existo o Yo Soy) y que nos permite reconocer nuestro propio ego-mente, así como la personalidad de nosotros mismos y de de otros (en inglés, consciousness o self-awareness). Sin embargo, en este caso no estamos hablando de la inteligencia ni de otras definiciones de la consciencia normalmente utilizadas en disciplinas científicas como la medicina y la psicología.

Una confusión frecuente que ocurre en medicina es cuando los médicos se refieren al estado de consciencia del paciente, ya sea normal o patológico, pero en realidad se está hablando de los niveles de consciencia (en inglés, Level of Consciousness o LOC) que se definen y estudian en la ciencia médica, y que son claves en las especialidades de neurología, anestesiología, etc., los cuales se pueden medir con el EEG, el Functional MRI u otros métodos experimentales, pero en realidad se trata de conceptos diferentes. Haciendo una analogía dualista con la computación, los niveles de consciencia que se miden en la ciencia médica serían como las señales eléctricas que se pueden medir en los circuitos electrónicos del 'hardware' de la computadora utilizando un osciloscopio u otro instrumento similar, pero eso no es lo mismo que el 'software' de la mente que contiene el 'código fuente' de los programas y aplicaciones que producen dichas señales eléctricas en los circuitos.

Otra fuente de confusión respecto a la definición de consciencia ocurre frecuentemente en psicología con relación a la estructura de la psiquis humana y los conceptos de consciente versus subconsciente o inconsciente. Por lo cual nos parece importante notar que los conceptos de sub-consciencia y supra-consciencia fueron introducidos por Frederic Myers en sus estudios de los fenómenos psíquicos publicados en su libro 'Human Personality and Its Survival of Bodily Death' en 1893, para más tarde ser desarrollados por Sigmund Freud, Carl Jung y los creadores del psicoanálisis. Y aunque hoy en día el psicoanálisis ha dejado de ser una escuela importante en psicología (algunos lo consideran pseudociencia) de todas formas el concepto del subconsciente o inconsciente sigue siendo útil para estudiar y entender los estados de neurosis y psicosis, así como muchos estados y procesos mentales normales que afectan nuestro comportamiento sin darnos cuenta de ellos. No obstante, la división de la psiquis humana en consciente e inconsciente no es el tema de este blog ya que no se relaciona con la definición más general de consciencia autoreflexiva.

La Cuestión de la Inteligencia

Por otra parte el problema de la inteligencia, o sea, la capacidad cognitiva de los organismos y las especies para aprender y resolver problemas prácticos y así ayudar a su propia supervivencia (incluyendo formas de pensamiento abstracto como: diseñar, anticipar el futuro y hacer planes a largo plazo, razonar y tomar decisiones, el uso del lenguaje en la comunicación, el desarrollo de tecnología, etc.), es una cuestión diferente que a veces se confunde con el de la consciencia, sobre todo cuando se habla de Inteligencia Artificial (IA) o de las múltiples formas de inteligencia que se estudian en Psicología y que se intentan medir a través del controversial Cociente Intelectual (en inglés, IQ) u otros métodos.

Una forma de entender la diferencia entre inteligencia y consciencia es tratar de imaginar un robot biológico, es decir, un organismo de origen biológico que pudiera ser muy inteligente pero que no tendría consciencia de sí mismo; una especie de Zombie si se quiere ver de esa manera. El 'experimento mental' del robot biológico nos plantea varios problemas. Por ejemplo, cómo saber cuando un organismo biológico inteligente tiene consciencia de sí mismo, para lo cual los científicos han ideado varias pruebas, como el clásico Test de Turing de la Inteligencia Artificial, la Prueba del Espejo de la Biología (en inglés, Mirror Self-Recognition Test o MSR), el argumento filosófico del Molino de Leibniz, el argumento de la Habitación China, el Test de Voight-Kampff de Empatía, etc. Aunque hasta ahora todos esos argumentos filosóficos y pruebas empíricas objetivas adolecen de serias limitaciones al no considerar la naturaleza subjetiva de la consciencia. O el aún más interesante problema filosófico de por qué nosotros los humanos no somos simples 'robots biológicos', lo cual quizás hubiera sido favorecido por la evolución, o al menos así lo creen algunos psicólogos evolucionistas.

Lo cual también se conecta con la factibilidad de que en un futuro se pudieran construir robots biológicos artificiales que pudieran tener alguna forma de 'consciencia', ya sea como los temidos 'cyborgs' de la película Terminator, o los 'replicantes' de Blade Runner con memorias humanas implantadas que los hace parecer 'más humanos que los humanos', o los androide de la película 'I, Robot' que cumplirían las tres leyes de la robótica de Isaac Asimov --aunque en realidad una discusión seria de la factibilidad de un robot biológico artificial y sus implicaciones filosóficas se saldría por completo del alcance de esta introducción.

Replicantes: ¿Tendrán Consciencia o es solo Algoritmo?

En resumen, que inteligencia y consciencia son cosas diferentes y tener una no implica tener la otra, aunque quizás podría existir una correlación respecto a ciertos atributos comunes en ciertos casos, pero eso aún esta por ver.

El Reto de la Consciencia
(o por qué tengo consciencia de que tengo consciencia)

Sobre la hipótesis del cerebro como el ‘hardware’ de una computadora cuántica, aunque esta idea parece muy promisoria, aún existen algunos problemas que quedarían por resolver. Uno de los retos que enfrentan estas teorías es explicar las Qualia, es decir, el misterio de cómo y dónde está el ‘software’ de la mente que permite la aparición de esas inefables cualidades y experiencias subjetivas a partir de dicho hardware.

Otro reto a considerar es la pregunta de cómo el cerebro logra mantener el estado de coherencia cuántica (en inglés, quantum entanglement) que permite que dicha ‘computadora’ funcione. Y en ese sentido la novedosa teoría de Matthew Fisher podría explicar cómo es posible mantener la coherencia cuántica de los Qubit (bit de computación cuántica) gracias al efecto del spin nuclear en los átomos de fósforo en el cerebro; lo cual es prometedor.

Además de lo anterior, otra cuestión que la teoría debe ser capaz de explicar y predecir es en qué momento de la evolución biológica del cerebro aparece la consciencia autoreflexiva (según el modelo triúnico que va del cerebro reptiliano, al sistema límbico de los mamíferos, hasta el neocórtex de los grandes simios) y qué clases de consciencias diferentes pueden ser soportadas por los diferentes niveles de organización del hardware de la biología.

Modelo Triúnico del Cerebro

Regresando al tema que nos ocupa sobre los retos que enfrentan estas teorías y tomando como ejemplo la teoría de Penrose y Hameroff que postula que los microtúbulos celulares (el citoesqueleto de la célula eucariota) es el lugar físico donde la función de onda colapsa debido al efecto de la gravedad cuántica para producir el Qubit en dichas células. Uno se pregunta, acaso cualquier célula puede producir ese efecto (incluyendo posiblemente organismos unicelulares) o quizás el efecto solo ocurre en las neuronas gracias a la complejidad de la anatomía y la fisiología del cerebro; y si así fuera, ¿por qué? Por otro lado, incluso si el efecto solo ocurriera en el cerebro por alguna razón especial (por ejemplo porque solo entre neuronas ocurre la sinapsis y se segregan los neurotransmisores que modulan la comunicación en la red neural) uno aún se pregunta cuáles son las condiciones necesarias y suficientes para que esto ocurra.

Otra pregunta. ¿Acaso el carácter bicameral de la anatomía del cerebro, consistente en dos hemisferios cerebrales con funciones psicológicas complementarias, tal y como si un lado estuviera 'observando' al otro, llegando incluso a intercambiar funciones mediante un proceso llamado Plasticidad Cerebral o Neuroplasticidad, es una condición necesaria, pero no suficiente, para que la consciencia de tipo autoreflexiva pueda emerger en una especie biológica específica? Lo cual por cierto es la especulación de algunos filósofos de la consciencia como Julian Jaynes quienes le dan más importancia al factor cultural que al biológico en la aparición de la consciencia autoreflexiva. Estos son algunos ejemplos de fenómenos y observaciones que una buena teoría de la consciencia debería ser capaz de explicar de manera convincente y empíricamente falsificable.

Finalmente, cualquier teoría cuántica que verdaderamente pretenda explicar la ‘consciencia’ tendrá que integrar todo este conocimiento multidisciplinario de la física, la biología, la medicina, la psicología, e incluso la filosofía, y explicar cómo se produce ese flujo continuo de pensamientos que tal parece un monólogo interior con nuestra propia narrativa personal (en inglés, stream of conciousness) el cual nos permite afirmar ese famoso truismo cartesiano que dice ‘pienso, luego existo’ (Cogito ergo sum) y llegar a conocer al Universo que nos ha creado y a nosotros mismos a través de esa omnipresente realidad subjetiva que llamamos Consciencia.


Friday, September 2, 2016

Universos Paralelos y Misterios de la Cosmología

Los físicos hoy en día creen que existe un conjunto infinito de universos paralelos al que llaman Multiverso y que el universo conocido por la física hasta ahora es solo uno de ellos. Estas novedosas ideas se fundamentan en los avances alcanzados por la mecánica cuántica y la física teórica a partir de la llamada Teoría de la Cuerdas (String Theory en inglés) la cual asume que las partículas materiales aparentemente puntuales son en realidad estados vibracionales de un objeto más básico llamado 'cuerda'. Esta teoría que comenzó a desarrollarse en la década de los 80 actualmente ya tiene un grado de madurez tal que muchos físicos la consideran como la Teoría del Todo (Theory of Everything).

La razón por la cual nuestro universo es tan especial entre todos los posibles mundos del multiverso es porque el conjunto de las constantes físicas fundamentales está muy finamente sintonizado para permitir no solo la aparición de nuestro sistema solar y nuestro planeta Tierra con la vida biológica en toda su maravillosa diversidad, impulsada por la explosión cámbrica hace más de 500 millones de años, sino también la existencia de la consciencia de tipo autoreflexiva que nos da el sentido del Ser (el inefable sentido que tenemos de que Yo Existo o Yo Soy) y que, como diría un filósofo, es lo que en fin de cuentas nos permite observar el Universo que nos ha creado y llegar a conocernos a nosotros mismos.

Este conjunto de constantes físicas fundamentales que hasta ahora se cuentan en más de veinte, las cuales funcionan como parámetros de ajuste en las múltiples teorías y modelos matemáticos de la física, incluye por ejemplo: La constante de gravitación universal de Newton, la velocidad de la luz en el vacío derivada de las ecuaciones de Maxwell, la constante termodinámica de Boltzmann, la constante cuántica de Planck, el radio atómico de Bohr, la constante cosmológica de Einstein, la carga eléctrica elemental, la masa en reposo y el spin de las partículas elementales, así como las constantes de acoplamiento de las cuatro fuerzas físicas fundamentales: gravitación, electromagnetismo, e interacciones nucleares fuertes y débiles (incluyendo la constante de estructura fina de Sommerfeld, la relación entre la intensidad de la fuerza gravitacional versus la fuerza electromagnética, la relación entre la masa en reposo del protón sobre la del electrón y los parámetros de acoplamiento de leptones y quarks; ver Modelo Estándar más adelante).

Quizás lo más asombroso de todo esto es que con solo cambiar un poco el valor de cualquiera de estas constantes físicas, nuestro universo resultaría ser muy diferente a lo que conocemos, y quizás ni siquiera podría haber llegado a crearse. Este sorprendente hecho es lo que los científicos llaman Principio Antrópico que algunos interpretan como un argumento de diseño o propósito para la existencia de nuestro Universo como providenciador de la vida biológica inteligente y la consciencia.

Otro muy interesante aspecto de esta teoría es que predice la existencia de un Hiperespacio con un número de dimensiones espaciales mayor que las 3D que experimentamos en nuestra realidad cotidiana. Por ejemplo, la variante llamada Teoría M (o Supercuerdas) propuesta por Edward Witten en 1995, además de unificar las cuatro interacciones físicas fundamentales en una sola teoría matemática a partir de un conjunto de primeros principios y predecir la existencia de todo un conjunto de nuevas partículas llamadas parejas supersimétricas (en inglés, SUSY) también predice la existencia de un total de 11 dimensiones del espacio-tiempo. Estas dimensiones extra del espacio también son llamadas dimensiones ocultas, o 'hidden dimensions' en inglés, porque no se pueden observar directamente ya que se compactan por debajo de la Longitud de Planck de 10−35 m.

La existencia de un universo de muchas dimensiones espaciales podría resultar tan maravilloso para nosotros los seres tridimensionales como lo era la tercera dimensión para los habitantes de la novela Planilandia (Flatland en inglés). Por eso entender la física de un posible universo multidimensional resulta ser tan importante en la actualidad.

Misterios de la Cosmología Física

Precisamente ese caracter multidimensional del universo podría ser la clave para explicar algunos de los misterios de la Cosmología Física, como la llamada materia oscura (dark matter) que mantiene las galaxias cohesionadas en sus formas espirales con igual velocidad de rotación frente a la distancia al centro de la galaxia, lo cual no se puede explicar solo mediante la materia visible. O la energía oscura (dark energy) que causa la expansión acelerada de nuestro universo.

Por otro lado la existencia de parejas supersimétricas predichas por la teoría podría permitirnos avanzar en el descubrimiento de nuevas formas de energía y materia hasta ahora desconocidas por la ciencia, que van más allá del actual Modelo Estándar de la física de partículas elementales, consistente hasta ahora en 16 partículas elementales divididas en 12 ferminones (partículas de materia) y 4 clases de bosones (mediadores de los campos de fuerza) en dependencia del tipo de interacción física fundamental de que se trate, más el Bosón de Higgs (también llamado Partícula de Dios) cuyo campo genera la masa del resto de las partículas, pero que muchos físicos hoy en día consideran incompleto.

Modelo Estándar de las Partículas Elementales

Incluso estas ideas podrían ayudar a resolver algunos problemas no resueltos de la física, como la actual teoría de la Inflación Cósmica propuesta por Alan Guth en 1981, la cual describe los instantes iniciales de la creación del universo y resuelve el Problema del Horizonte o por qué la temperatura del universo resulta ser tan uniforme (homogenea e isótropa) aunque por otro lado se supone una expansión inicial a velocidades superlumínicas, es decir, que la actual velocidad de la luz en el vacío no habría sido un límite en aquel caso (la radiación térmica se propagó más rápido que la gravedad) la cual es una hipótesis que pronto se espera poder probar en los experimentos del LIGO que buscan detectar las ondas gravitacionales y otros experimentos.


Linea de Tiempo de Nuestro Universo

Y quizás también confirmar la teoría alternativa llamada Universo Holográfico, la cual es una idea o Principio propuesto por Gerard Hooft, Leonard Susskind, Juan Maldacena y otros en los años 90, que establece que la información de nuestra realidad 3D está codificada como si fuera un holograma en una superficie 2D en la frontera, y que además podría resolver el problema de los 'agujeros de gusano' (wormholes) y la paradoja de la información en los 'agujeros negros' a través de la Conjetura ER=EPR; lo cual pronto se espera poder comprobar empíricamente.

Para conocer más sobre estas fascinantes teorías físicas y sobre los científicos que actualmente trabajan en ellas recomendamos el siguiente documental titulado Parallel Universes de BBC Horizon (en inglés) que explica todos estos conceptos en un lenguaje sencillo y fácil de entender.

Si las predicciones de estas novedosas teorías físicas pueden comprobarse empíricamente en observaciones cosmológicas como la radiación de fondo de microondas remanente del Big Bang, o en experimentos de laboratorio como los realizados en el Fermilab o los que se esperan realizar en el Large Hadron Collider (LHC) en el CERN, quizás en verdad, como ha dicho el célebre físico Stephen Hawking, los seres humanos en la tierra pronto llegaremos a conocer "la mente de Dios".


Monday, May 4, 2015

Misterios del Tiempo

Albert Einstein dijo que la distinción entre el pasado, el presente y el futuro es sólo una ilusión persistente. ¿Qué significa esto?


El tiempo es un tema filosóficamente interesante porque la existencia de un futuro más o menos predeterminado se relaciona con la cuestión de la dicotomía entre el destino y el libre albedrío humano, la cual es una de esas perennes preguntas de la Filosofía que se han debatido y se continuarán debatiendo por largo tiempo. Por otro lado el asunto también nos plantea la pregunta qué es el tiempo y cuál es la diferencia entre pasado, presente y futuro. Incluso algunos filósofos hoy en día debaten si el tiempo es algo real y si realmente fluye del pasado al futuro, o si el tiempo es solo una construcción de nuestra imaginación. Pero como este no es un blog de filosofía, preferimos tomar otro camino más productivo; el de la ciencia empírica.

El Problema de la Flecha del Tiempo

La Flecha del Tiempo en sus diferentes aspectos

En la Física este es un tema interesante porque el sentido de la flecha del tiempo, es decir, la diferencia entre pasado, presente y futuro, se relaciona con esa paradoja que existe entre la simetría y reversibilidad del tiempo en la física cuántica (mundo subatómico) versus la irreversibilidad del tiempo a nivel de física clásica; ya que a nuestro nivel de observación macroscópica el tiempo siempre tiene una clara dirección irreversible, del pasado al futuro, de acuerdo a la Segunda Ley de la Termodinámica (Ley del Incremento de la Entropía), el cual es uno de los problemas no resueltos de la fisica.


El origen cosmológico de la Flecha del Tiempo

A nivel cuántico, sin embargo, las leyes de la física son simétricas respecto al tiempo (no hay diferencia entre pasado y futuro a nivel fundamental cuando se toma en consideración la antimateria y la paridad, a lo cual se le llama Simetría CPT) y tal parece que en ciertos casos es posible que el tiempo fluya ´al revés´ según sugiere el experimento de John Wheeler (conocido en inglés como ´delayed choice experiment´ el cual es una variante del experimento clásico de la doble rendija que puede ser confirmado experimentalmente) donde causa y efecto parecen invertir sus roles (fenómeno llamado retrocausación) ya que decisiones tomadas en el futuro afectarían el resultado de mediciones en el pasado; es decir que el futuro influencia el pasado.

A pesar de lo contra intuitivo que lo anterior pueda parecernos, en realidad esto está permitido por el Principio de Incertidumbre entre Tiempo y Energía de Heisenberg expresado matemáticamente en la relación (ΔT) (ΔE) ≥ ℏ/2 (donde ΔT representa la incertidumbre en la medición del tiempo, ΔE la incertidumbre en la energía y ℏ la constante de Planck) y que tiene dos implicaciones: 1) La ley de conservación de energía puede ser violada durante un intervalo de tiempo pequeño, 2) La medición del tiempo se indefine en la medida que tratamos de precisar la energía de los estados cuánticos; o como lo ha dicho un físico teórico: no existe tal cosa como el pasado o el futuro.


El Principio de Incertidumbre de Heisenberg en sus dos aspectos

Incluso la indeterminación del tiempo en mecánica cuántica puede llegar al punto que el tiempo tal parece detenerse duante la medición, lo cual se puede observar experimentalmente en el llamado Zeno Effect (Efecto Zenón) donde se demuestra cómo un sistema cuántico no cambia mientras está siendo observado; y que algunos interpretan como una especie de Efecto Observador en la mecánica cuantica.

El Principio de Incertidumbre entre Tiempo y Energía es un principio físico cuántico muy bien establecido que por cierto también explica la existencia de la Energía del Vacio o Punto Cero que se demuestra en el Efecto Casimir y que es clave en la electrodinámica cuántica, permitiendo la creación y aniquilación de parejas de partículas virtuales en el vacío, representadas en los Diagramas de Feynman. Adicionalmente el Principio también soporta la hipótesis de Wheeler sobre el llamado Participatory Universe (Universo de Participación) donde a través de la observación del mundo físico nosotros realmente somos co-creadores del universo.


Relatividad del Tiempo

Otro interesante aspecto sobre el tiempo es su carácter relativo. Este es un hecho bien conocido en la física clásica que se deriva de la teoría de la relatividad especial de Einstein y que en esencia significa que depende del sistema de referencia, o sea, que el tiempo se dilata (las manecillas del reloj rotan más lentamente) en un sistema inercial de referencia en movimiento, comparado con otro en reposo, a medida que la velocidad del sistema de referencia se aproxima a la de la luz en el vacío; con el corolario de que el tiempo se detendría a la velocidad de la luz.

Dilatación del tiempo en un reloj en movimiento

Como también se sabe que el tiempo se dilata por efecto de la gravitación (por ejemplo cerca de un agujero negro) o por efecto de la aceleración que sería 'equivalente' a la gravitación, lo cual conduce a la curiosa paradoja de los gemelos donde el gemelo que queda en la tierra envejece más rápido que su hermano que viaja por el espacio; pero el misterio del tiempo es más profundo que eso.

Paradoja de los Gemelos: Dilatación del tiempo por efecto de la gravitación o aceleración

Quizás más interesante aún es el hecho que en las ecuaciones fundamentales de la física, incluyendo la teoría de la gravitación según Einstein (basada en su teoría de la relatividad general) y la teoría cuántica del campo, el tiempo aparece matemáticamente como la cuarta dimensión de un vector en el espacio de los números complejos ( x, y, z, ict ) que también incluye las tres dimensiones espaciales, aunque con la diferencia que el tiempo aparece como una dimensión imaginaria (en el producto "ict" donde i es la unidad de los números imaginarios, c es la velocidad de la luz y t es el tiempo) mientras que las tres dimensiones espaciales ( x, y, z ) aparecen como números reales. Dicho vector de 4 dimensiones (4D) es utilizado para representar la métrica del Espacio de Minkowski en todas la ecuaciones del campo, tanto clásicas como cuánticas. Este hecho no es solo un subterfugio matemático, sino que nos revela una relación física fundamental del espacio-tiempo. Resulta entonces muy interesante considerar que pasaría en un universo (un universo paralelo quizás) donde el tiempo se comportara como una dimensión 'real', y donde uno pudiera desplazarse al futuro o al pasado, similar a como nos desplazamos en el espacio 3D.

¿Viajar en el Tiempo?

Cono de Luz (World Line): Regiones causales y no-causales del espacio-tiempo

Esta especulación es el tema de la interesante película de ciencia ficción Interstellar que fue asesorada por el físico teórico premio Nobel de física Kip Thorne, donde el astronauta al quedar atrapado en un mundo paralelo puede moverse en el tiempo como si fuera una dimensión espacial y producir varios fenómenos físicos que en otras condiciones hubieran sido considerados 'paranormales'. ¿Pero se trata solamente de una especulación o acaso esto podría ser real? Y es aquí donde el problema del tiempo se pone interesante, ya que según plantean algunos estudiosos del tema, eso es precisamente lo que ocurre del ‘otro lado’ de nuestro universo cuando la consciencia (que por cierto también es un fenómeno cuántico) se encuentra libre del filtro tridimensional que representa el cerebro biológico (ver problema mente-cuerpo para más información sobre la correlación entre la consciencia y el cerebro) ya sea cuando la persona se encuentra en un trance mediúmnico, o de meditación profunda, o durante una experiencia cercana a la muerte. En esas condiciones el tiempo es percibido de una forma totalmente diferente, como si el tiempo se detuviera en un eterno 'ahora', permitiendo la posibilidad de desplazarse en el tiempo con el pensamiento hacia ‘adelante’ o hacia ‘atrás’ para poder ver probabilidades de eventos en el futuro o el pasado; lo cual puede explicar el 'cómo' de fenómenos como la visión remota y los sueños precognitivos.

Pero el misterio del tiempo no termina ahí, porque si de alguna forma es posible observar directamente eventos futuros o pasados, entonces uno se pregunta si tambiėn será posible viajar en el tiempo y alterar dichos eventos, y qué sucedería entonces con la llamada paradoja del abuelo que plantea el dilema de qué pasaría si alguien viaja al pasado y mata a su abuelo previniendo así su propia existencia. En este sentido la actual teoría del Higgs Singlet que es una patícula elemental que puede viajar hacia alante y hacia atrás en el tiempo según el Supersymmetric Standard Model (extensión del Modelo Estándar de la física de partículas elementales) pudiera resolver el dilema haciendo físicamente posible 'observar' el tiempo futuro o pasado sin 'alterarlo'.

El Modelo Estándar de las Partículas y la Supersimetría SUSY

¿Es el Tiempo algo fundamental en la Física?

Otro misterio sobre el tiempo y el espacio tiene que ver con las ideas actuales de la física teórica alrededor del llamado Principio Holográfico de la Cosmología Física donde el tiempo no parece ser algo fundamental en la física, sino más bien tal parece que el tiempo emerge de alguna entidad física más fundamental como por ejemplo de la información contenida en los estados cuánticos (ver nota al final); y como lo ha expresado el físico teórico Juan Malcadena "esto sugiere que el quantum es lo más fundamental, y el espacio-tiempo emerge de él".


Universo Holográfico y Teoría de la Información (haz click en la imagen para ampliar)

Nota: En Teoría de la Información la cantidad de información en un canal de comunicación, o en un sistema estocástico en general, se describe a través del concepto de Entropía según la definición de Boltzmann y el Teorema de Shannon. Interesantemente además en Física Estadística (tanto clásica como cuántica) hay un teorema matemático llamado Teorema de Liouville que demuesta que existe una especie de ley de conservación de la información, y que como explica el profesor Susskind sería la ley cero de la física estadística de la cual se derivan otras leyes de conservación en la física; lo cual puede tener otras implicaciones sobre la supervivencia de la consciencia como información cuántica --pero eso es definitivamente otro tema.