“Déu no juga als daus”. La famosa frase d’Albert Einstein condensa a la perfecció l’esperit de la ciència clàssica. Segons aquest esperit, el món natural és semblant a una màquina. Les lleis de la natura actuen sobre la realitat de manera fixa, immutable. Res del que succeeix ho fa per atzar, res succeeix si alguna altra cosa no ho causa. L’aparent espontaneïtat i arbitrarietat del món no és més que això, aparent: la ment humana és limitada en el seu poder de comprensió, però les lleis són inexorables, i governen la natura encara que no puguem expressar-les de la manera adequada.
La física, gràcies a l’obra de gegants com Galileo i Newton, va contribuir a consolidar aquesta visió de la ciència. Però quan va escriure la seva famosa frase, en una carta al físic Max Born a finals de 1926, Einstein estava expressant tant una convicció com una queixa. Una naixent disciplina, la física quàntica (l’estudi de l’estructura de l’àtom), semblava amenaçar els que es creien que eren els principis de la ciència. I això en gran part gràcies a la idea revolucionària d’un jove físic de tan sols 25 anys, Werner Heisenberg, que avui denominem principi d’incertesa.
A Incertidumbre, David Lindley ens narra aquesta “lucha por la esencia de la ciencia”, desfermada pel principi d’incertesa de Heisenberg. Però, com sorgeix el principi d’incertesa?
Com ens diu Lindley, les revolucions científiques tenen unes arrels i uns antecedents. En el cas del principi d’incertesa, les seves arrels es troben a la mecànica quàntica, que també va ser definida per Heisenberg. I, a la vegada, la mecànica quàntica va ser una resposta a problemes que els físics de l’època no podien resoldre, problemes que, segons Lindley, ja estaven presents a la física almenys des del segle XIX: parlem del paper de la probabilitat, de l’estadística i de l’espontaneïtat a la natura.
Aquests conceptes van anar adquirint importància a mesura que la física moderna es va anar desplegant, de la mà de fenòmens tan diversos com el moviment brownià, la teoria cinètica de la calor, la radioactivitat i, finalment, l’estudi de l’àtom. I és que enfront dels ideals de la continuïtat, de la predictibilitat i el determinisme, el món atòmic, descrit per pioners com Niels Bohr, Heisenberg, Wolfgang Pauli i d’altres, es presentava com discontinu, atzarós, probabilístic, espontani.
Niels Bohr va proposar el model d’àtom que forma part de l’imaginari popular: un nucli envoltat per diferents orbitals d’electrons, com un Sol envoltat de diferents planetes. Amb la seva hipòtesi de l’estructura de l’àtom, Bohr assenyalava on es trobaven els electrons en relació al nucli atòmic, descobert per Ernest Rutherford, i obria un camí d’investigació per determinar com es movien al voltant del mateix.
Però el model de Bohr és molt més subtil que això: segons Bohr, els electrons tenien la capacitat de “saltar” d’uns orbitals a uns altres, alliberant energia en el procés. Aquesta era la resposta de Bohr al fenomen de l’espectroscòpia: el fet que els elements químics absorbeixen i emeten llum a unes freqüències d’ona molt determinades. Aquestes freqüències es correspondrien, va postular Bohr, amb l’energia emesa pels salts dels electrons.
La idea de Bohr resultava estranya a alguns físics prominents contemporanis de Bohr, com el mateix Rutherford: els electrons semblaven poder triar quan i com saltar d’un orbital a un altre, d’una forma abrupta, no continua, sense que hi hagués una raó aparent.
El model de Bohr es va revelar com a insuficient per a anar més enllà en l’explicació de casos complexos d’espectroscòpia. En aquest context Heisenberg, que era pupil de Bohr, va realitzar la seva primera aportació innovadora a la física: la mecànica quàntica.
Si Bohr aspirava a descriure com es movien els electrons al voltant del nucli per tal d’explicar l’espectroscòpia, Heisenberg va optar pel camí contrari: en lloc de descriure el moviment dels electrons, intentant fixar la seva posició i velocitat, Heisenberg utilitzaria les dades observacionals de l’espectroscòpia per a deduir el moviment dels electrons.
La observabilidad: éste era el principio recién estrenado de esta nueva mecánica. Había que olvidarse de intentar explicar el comportamiento de los electrones directamente; en su lugar, había que expresar lo que uno quería saber en términos de lo que se podia observar: las características espectroscópicas de un átomo. (p. 123)
La discusión sobre los átomos y los electrones propiamente dichos no aparecía por ninguna parte. Era una base para la mecánica cuántica, no la cosa en sí misma. (p. 124)
La mecànica quàntica és un complex sistema matemàtic creat per Heisenberg el 1925 que permet la deducció del moviment dels electrons, utilitzant les dades espectroscòpiques. Bohr va unificar la troballa de Heisenberg amb la descripció d’Erwin Schrödinger dels electrons com a ones en l’anomenada interpretació de Copenhaguen, el 1927: amb aquesta nova formulació del món quàntic, només es podia aspirar a estimar la probabilitat de trobar un electró en un punt determinat al voltant del nucli.
Einstein mai va congregar amb la visió del món atòmic que proposaven Bohr, Heisenberg i d’altres pioners. Per a ell, la ciència sempre estaria lligada a la possibilitat de la predicció dels fenòmens naturals, de la mà de les lleis universals. Einstein defensava el determinisme, un principi que semblava estrany a la física quàntica:
En física clásica, cuando sucede una cosa, sucede por una razón, porque los acontecimientos previos lo han provocado, han preparado las condiciones para ello, lo han hecho inevitable. Pero en mecánica cuántica por lo visto las coses tan sólo suceden de un modo u otro, y no hay forma de determinar la razón. (p. 144)
Així, per a Einstein:
Si la probabilidad iba a reemplazar a la causalidad, [….] la base racional para desarrollar teorías físicas había sido barrida. (p. 145)
Amb la mecànica quàntica, Heisenberg va començar a reflexionar seriosament sobre el paper que les nocions clàssiques de posició i velocitat tenia al nou món atòmic. I aquesta reflexió va culminar en el principi d’incertesa.
En la seva expressió més directa el principi d’incertesa, formulat per Heisenberg el 1927, diu que podem mesurar la velocitat o la posició d’una partícula, però no ambdues a la vegada: en voler mesurar la velocitat, l’observador altera la posició; i a la inversa, en voler mesurar la posició, l’observador altera la velocitat. Aquesta idea ha adquirit una expressió que ja és quasi un eslògan: l’observador canvia allò que observa.
És aquesta impossibilitat de mesurar la posició i la velocitat d’una partícula al mateix temps el que converteix en revolucionari al principi d’incertesa. Val la pena citar un fragment de Lindley per a entendre per què:
El resultado final […] parece ser que los hechos no son esas cosas simples y sólidas que se suponía. En la descripción clásica del mundo natural como una gran máquina, se había dado por supuesto que todas las partes funcionales de la maquinaria podían definirse con una precisión ilimitada y que todas sus interconexiones podían comprenderse con exactitud. Todo tenía su sitio y había un sitio para cada cosa. Esto parecía fundamental y esencial. Para tener la esperanza de comprender el universo, primero había que suponer que se podían averiguar, pieza a pieza, cuáles eran todos los componentes del universo y cuál era su cometido. Al parecer, Heisenberg decía que no siempre se puede averiguar lo que uno quiere saber, que la capacidad de describir incluso el mundo natural era limitada. Si uno no puede describirlo como quiere, ¿cómo puede esperar conocer sus leyes? (p. 10)
El principi d’incertesa ha passat a formar part de la cultura popular, de vegades de manera lamentable. Per exemple: fa un parell d’anys, el blog de divulgació científica Naukas comentava com el divulgador Eduard Punset va culpar d’una caiguda que li va fracturar una cama al principi d’incertesa. Com molt encertadament explicaven a Naukas, el principi d’incertesa s’aplica a escala atòmica, però res té a veure amb l’escala de les persones i les seves caigudes a terra. La física quàntica també serveix de coartada per a un bon grapat d’idees pseudocientífiques (com la sanació quàntica), que utilitzen els conceptes de la física quàntica per a impressionar al públic. Lindley dedica un breu epíleg a comentar per què periodistes, intel·lectuals i fins i tot sèries de televisió fan un ús tan injustificat del principi d’incertesa (en la seva forma “l’observador canvia la cosa observada”).
Incertidumbre, per tant, examina la gènesi i la recepció del principi d’incertesa, les controvèrsies que va desfermar i les implicacions que la idea de Heisenberg va tindre per a la ciència. I, al fer-ho, Lindley ens ofereix una molt assequible introducció a la física quàntica, a les seves principals idees i a les figures amb nom propi que van contribuir a engegar un projecte fascinant: la investigació del que és infinitesimalment petit, l’àtom.
