Límites de la Universalidad De La Mecánica Cuántica/1/2/

Original source: https://www.tcm.phy.cam.ac.uk/~bdj10/papers/QMlimits.html

Brian D. Josephson/3/


Los argumentos de Niels Bohr, expuestos en su libro “La física atómica y el conocimiento humano”, que indican la no aplicabilidad de la metodología cuántica al estudio de los detalles últimos de la vida, entran en conflicto con la opinión opuesta comúnmente sostenida. Se examinan las bases de las creencias habituales y se demuestra que tienen poca validez. Existen diferencias significativas entre el organismo vivo y el tipo de sistema estudiado con éxito en el laboratorio de física. Tratar los organismos vivos en términos de mecánica cuántica con el mismo grado de rigor que es normal para los sistemas no vivos no parecería posible sin considerar también las cuestiones de los orígenes de la vida y del universo.


1. Introducción

Este artículo está dedicado a tres grandes pensadores que han insistido en que el mundo no es tan sencillo como nuestro éxito en describirlo matemáticamente podría haber parecido sugerir: Niels Bohr, cuyos análisis del problema de explicar la vida desempeñan un papel central en la siguiente discusión; Erwin Schroedinger, erudito estudioso de la relación entre mente y materia, en la Conferencia Celebratoria del Centenario de Londres, de quien se pronunció originalmente la charla en la que se basó este artículo/4/; y David Bohm, el escéptico o escéptico moderno a quien está dedicado este número de Fundamentos de la Física, que ha dedicado gran parte de su carrera científica a demostrar la invalidez de una serie de opiniones ortodoxas sobre la naturaleza.

La mayoría de los físicos consideran que la física es la ciencia más fundamental (en el sentido de que los fenómenos naturales de todo tipo pueden, en principio, explicarse en términos de sus leyes fundamentales, es decir, en términos de la mecánica cuántica). Pero una minoría no ha aceptado esta doctrina de universalidad. Schroedinger(1), por ejemplo, escribió: “Sin ser conscientes de ello y sin ser rigurosamente sistemáticos al respecto, excluimos el Sujeto del Conocimiento del dominio de la naturaleza que nos esforzamos por comprender… la mente no podría hacer frente a esta gigantesca tarea”. (de erigir el mundo exterior objetivo del filósofo natural) de otra manera que no sea mediante el recurso simplificador de excluirse a sí mismo”.

Desde que Schroedinger escribió estas palabras, las ciencias cognitivas (por ejemplo, la psicología, la neurofisiología y la inteligencia artificial) han desarrollado conjuntamente un grado apreciable de comprensión de “nosotros mismos” que las ciencias físicas han ignorado. Sin embargo, la fragmentación sobre la que David Bohm ha escrito(2) ha servido para mantener separados estos dos tipos de estudios, y los físicos han evitado en gran medida la discusión de las cuestiones más profundas (dentro de los términos de referencia oficiales de su materia, al menos). Además, debido a la supuesta naturaleza fundamental de la física, las ciencias de la vida e incluso las ciencias cognitivas (exceptuada la psicología transpersonal) han tendido a adoptar la visión mecanicista de la vida que caracteriza a la física, una visión que tiende a ignorar todas las sutilezas de la experiencia personal. y comprender los procesos psicológicos sólo en sus aspectos más superficiales. Sobre la base de tales hechos, Bohm(3) concluyó, al igual que Schroedinger antes que él, que el enfoque mecanicista moderno del estudio de la naturaleza no puede abarcar más que una pequeña área en un campo mucho más vasto.

El presente artículo es un intento de poner esta creencia sobre una base más objetiva. Se basa en gran medida en la discusión de Niels Bohr sobre la posibilidad de aplicar la teoría cuántica a la comprensión de la vida(4). Bohr argumentó que la perturbación que se causaría a un sistema vivo, si se intentara determinar su estado con suficiente precisión como para poder comprender completamente todos los detalles de su funcionamiento, probablemente, en virtud del principio de incertidumbre de Heisenberg, ser suficiente para herirlo o incluso matarlo. Sobre esta base concluyó que, con toda probabilidad, los sistemas vivos quedan fuera del dominio de los fenómenos que la mecánica cuántica puede describir con todo detalle.

Curiosamente, este argumento ha sido ignorado por los físicos y por los científicos en general. Parece que esta negligencia tiene como base principal una especie de proceso de votación, en el que los numerosos éxitos de la metodología ortodoxa (basada en última instancia en la mecánica cuántica) en su aplicación al estudio de los sistemas vivos, por un lado, se contraponen al único la voz opuesta de Bohr, por el otro. Tales fundamentos para decidir la verdad están bastante por debajo de lo que razonablemente, dentro del contexto de la ciencia, podría considerarse adecuado.

En lo que sigue, en esencia elaboraré el argumento de Bohr completando detalles significativos. El problema con respecto a la posición que adoptó parece no ser que los defensores del punto de vista de la integridad tengan buenos argumentos para oponerse a los de Bohr, sino más bien que simplemente, por una serie de razones, no están dispuestos a creer en sus conclusiones. Como resultado, gran parte del artículo consistirá en examinar las diversas razones que comúnmente se dan para la incredulidad y demostrar que son inadecuadas.

La sección 2 describe la esencia del argumento de Bohr, prestando especial atención a demostrar cómo las diferencias en las condiciones de observación entre las que pertenecen al experimento típico de física y las que pertenecen al experimento típico de biología hacen que la teoría cuántica sea aplicable de manera sencilla. manera en el primer caso, pero no en el segundo. Las diferencias que se describen no son esencialmente aquellas entre sistemas vivos y no vivos; la característica relevante es la diferencia entre la situación controlada de un experimento cuántico (es decir, un experimento de acuerdo con los términos de referencia particulares de la teoría cuántica de medición (5,6)) y la situación general que ocurre en la naturaleza. La sección 3, basada en un ejemplo hipotético de desarrollo científico que tiene estrechas analogías con la situación real en el caso de la mecánica cuántica, proporciona una idea de la forma en que la física adquirió para sí una teoría que proporcionaba una visión ilusoria de la plenitud del poder descriptivo. Luego, la sección 4 revisa una serie de objeciones estándar a la idea de que los sistemas vivos no encajan de manera directa en el esquema de la mecánica cuántica, mientras que finalmente la discusión final de la sección 5 intenta una evaluación general de la situación en la que parece encontrarse la física. a raíz de las dificultades que se ha demostrado que implica conciliar el enfoque cuántico y el fenómeno de la vida.

2. La naturaleza del problema: el argumento de Bohr

Predecir el desarrollo futuro de un sistema en mecánica clásica es, en principio, sencillo. Simplemente medimos los valores actuales de los parámetros del sistema y luego los introducimos como condiciones iniciales en las ecuaciones de movimiento para determinar el comportamiento posterior en función del tiempo. En mecánica cuántica la situación es menos sencilla. La ecuación de Schroedinger proporciona un análogo adecuado a las ecuaciones del movimiento, pero al determinar la condición inicial surge la complicación de que, según la mecánica cuántica, la medición de un sistema inevitablemente lo perturba. No podemos descubrir cuál es realmente el sistema con el que estamos experimentando sin cambiarlo. El argumento de Bohr es entonces (como ya se ha señalado) que un sistema vivo se vería gravemente perturbado si se intentara determinar su estado con suficiente precisión como para poder comprender completamente todos los detalles de su funcionamiento.

Pero uno podría preguntarse si este argumento parece ser igualmente aplicable a los sistemas no vivos. ¿Cómo es posible que parezcamos capaces de hacer experimentos a nivel cuántico en sistemas no vivos y no preocuparnos por la situación descrita en este argumento? Bohr habló en términos generales de las “diferentes condiciones de observación” que estaban involucradas en los dos casos. A continuación se explicará en detalle el significado preciso de este punto.

Dividiremos las situaciones que ocurren en un experimento de física en los siguientes tres tipos:

(i) la situación en la que el sistema que estamos tratando es suficientemente macroscópico como para que los efectos de la perturbación puedan ignorarse dentro del contexto del experimento.

(ii) cuando la perturbación causada por la medición sea, en efecto, el objeto real de estudio del experimento. Un ejemplo es el experimento de Stern-Gerlach, donde se estudia la estadística de cómo un haz de partículas polarizadas se descompone en distintos subhaces cuando se somete a un proceso de medición que consiste en pasarlo a través de una región del espacio que contiene una superficie magnética no homogénea. campo.

(iii) donde la perturbación causada por el proceso de medición puede simplemente ignorarse, porque el proceso de medición (que también puede considerarse como un proceso de filtrado) tiene sólo la función de preparar el sistema para el experimento, de modo que el interés es Por lo tanto, se centró enteramente en la situación posterior a la medición y posterior a la perturbación. Como ejemplo sencillo, consideremos el experimento de física de altas energías. Aquí el acelerador u otra fuente de partículas produce un haz de composición indeterminada. Sin embargo, el dispositivo de medición (por ejemplo, una cámara de burbujas junto con un campo magnético) permite asociar un tipo particular de partícula con cada evento observado. El efecto perturbador producido por el proceso de medición es simplemente el de colapsar la combinación indeterminada de estados de partículas en la fuente en una secuencia de estados de partículas individuales, cada uno de los cuales ha quedado bien definido como resultado de la observación. En lo que respecta al experimentador, estos estados bien definidos son los estados iniciales que debe conocer para comparar la teoría y el experimento, en lugar de los estados iniciales originales de la fuente. Como resultado, no es necesario tener en cuenta en absoluto la “perturbación por medición”.

Estos tres casos se pueden caracterizar de la siguiente manera: en el caso (i), el efecto (perturbación debida a la medición) es insignificante; en (ii), se puede calcular; y (iii) la perturbación no es relevante. Pero estos tres casos no agotan todas las posibilidades. El preocupante caso de Bohr es un ejemplo de la siguiente situación bastante diferente:

(iv) Nos gustaría poder predecir cómo se desarrollaría un sistema determinado con el tiempo si no se lo perturbara. El sistema en cuestión es lo suficientemente sensible a las perturbaciones que un intento de identificar su estado actual con suficiente precisión para poder hacer la predicción deseada interferiría seriamente con el resultado del experimento.

La circunstancia de la diferencia entre el caso (iv) y los otros casos discutidos proporciona la razón para dejar de lado por ser irrelevante, al considerar la cuestión de si la perturbación involucrada es un problema genuino en biología o no, el hecho de que en el caso de El experimento de física no resulta ser un problema. Una vez que uno ha descartado esta objeción particular al argumento de Bohr, parece verse obligado a llegar a la conclusión de que el punto de vista de Bohr sobre la mecánica cuántica y la vida era perfectamente válido. Sin embargo, la cuestión se examinará con más profundidad, teniendo en cuenta otras perspectivas sobre el problema, más adelante en el transcurso del artículo.

Distinguiendo la situación del caso (iv) (para la cual hacer predicciones presenta un problema para la mecánica cuántica) de los otros casos descritos, podemos exponer ahora nuestras principales conclusiones:

(a) Sin ninguna inconsistencia, uno puede considerar la teoría estándar simplemente como una pieza especializada de formalismo que se aplica, sólo como un caso especial, a aquellos sistemas particulares que han sido preparados con la ayuda de los procedimientos habituales de medición/filtrado (casos ( i) a (iii)). No hay ninguna razón obvia para identificar la categoría de circunstancias en las que la teoría cuántica puede hacer predicciones precisas con la categoría de todos los fenómenos naturales concebibles que pueden investigarse científicamente.

(b) El hecho de que se haya demostrado, en muchas aplicaciones en los campos de la ciencia y la tecnología, que la teoría cuántica describe la naturaleza con muy alta precisión, no nos proporciona en sí mismo una razón para considerar que la teoría da una explicación completa. de todos los fenómenos naturales. Nuevamente, estos éxitos se basan únicamente en las situaciones de las categorías (i) a (iii).

(c) Finalmente, es probable que, tal como propuso Bohr, los sistemas vivos en general constituyan uno de los tipos de sistemas a los que la mecánica cuántica no se puede aplicar de manera rutinaria.

3. Un análogo ilustrativo: un desarrollo alternativo imaginario de la óptica geométrica

En la sección anterior se ha argumentado que, contrariamente a las opiniones habitualmente sostenidas, existen serias objeciones por razones de principio a la idea de que la mecánica cuántica constituye una teoría integral de todos los fenómenos naturales. En esta sección se dará una analogía informativa que ayuda a mostrar cómo surgió históricamente esta contradicción entre las creencias generalmente aceptadas y lo que sugiere un examen cuidadoso de los procesos de predicción en la mecánica cuántica. Se trata de un hipotético desarrollo alternativo de la óptica geométrica en otro planeta, llevado a cabo por científicos que sólo poseen visión monocromática. En esta alternativa imaginaria, los investigadores descubren con éxito la ley de Snell para la refracción de la luz, pero debido a su falta de visión del color no llegan a comprender la idea newtoniana de que la luz natural se compone de una mezcla de luces de diferentes colores. Investigaciones posteriores les llevan a descubrir la existencia de una aberración cromática, pero debido a su falta de visión del color la perciben sólo como una borrosidad que afecta a su capacidad para tomar medidas de alta precisión. Luego descubren que si la luz pasa primero a través de ciertos tipos de materiales (que los científicos terrestres conocen como filtros de color), la borrosidad se reduce considerablemente. Este descubrimiento da una nueva vida a la óptica geométrica, y la ley de Snell adquiere el estatus de ley exacta, que explica el comportamiento de todas las configuraciones posibles de lentes y prismas con respecto al paso de la luz filtrada. En esta etapa, el practicante de la óptica geométrica considera la luz natural como una forma imperfecta de luz, que carece de cualquier interés real para el físico moderno.

La analogía involucrada con la mecánica cuántica es entre el proceso de filtrado que constituye una “buena fuente de luz” para los ópticos geométricos y el “proceso de preparación” que crea sistemas bien definidos para el físico cuántico, mientras que la luz natural proporciona el análogo a la vida. La preocupación primordial, en el caso de la mecánica cuántica, por la posibilidad de poder hacer predicciones precisas de las propiedades de los átomos (donde antes no se podían hacer predicciones adecuadas) llevó a la adopción, como en el caso óptico imaginario, de un definición de experimento que no lo incluyera todo. Pero el hecho de que, dentro de este dominio declarado, la teoría pareciera funcionar universalmente llevó a una extrapolación errónea a la idea de que la teoría era verdaderamente universal.

El análogo óptico tiene el inconveniente de que en la práctica un simple proceso de superposición permite deducir las propiedades de la luz natural bajo procesos de refracción a partir de las de la luz filtrada. Pero a un nivel más profundo la analogía sigue siendo relevante, por dos razones. En primer lugar, la superposición no es un resultado exacto; es sólo una aproximación, que es exacta sólo mientras las intensidades de la luz sean tales que puedan despreciarse los efectos no lineales. Y en segundo lugar, la pregunta “¿Qué es la vida?” es mucho más difícil de responder satisfactoriamente que la pregunta análoga sobre óptica: “¿Qué es la luz natural?” Las condiciones iniciales que deberían asumirse para describir la vida y su evolución en términos cuantitativos siguen siendo materia de especulación (ver sección 5).

4. Objeciones a la tesis de que la mecánica cuántica no puede dar una cuenta completa de la vida

Esta sección abordará varios intentos de argumentar que los sistemas vivos en realidad no sufren el tipo de consideraciones planteadas por Bohr. Algunos de ellos parecen depender críticamente de la suposición de que sólo porque en la actualidad la biología parece ser capaz de ignorar aquellos aspectos específicamente mecánico-cuánticos de la naturaleza, como la indeterminación, que deben tenerse en cuenta en el caso de los sistemas físicos, estos Los aspectos de la naturaleza nunca serán relevantes en el tema de la biología. Esta es una visión miope, ya que si es necesario o no, para cualquier categoría particular de sistema, tener en cuenta los efectos cuánticos típicos es función no sólo del tipo de sistema en cuestión sino también de las técnicas disponibles en el momento. el momento oportuno para investigar tales sistemas. No se puede esperar que efectos cuánticos como la indeterminación sean irrelevantes en biología en el futuro.

De la misma manera, no existe ninguna justificación real para la afirmación de que la comprensión del comportamiento de un organismo puede no requerir de hecho un conocimiento tan preciso de la función de onda del organismo que sea imposible obtener dicho conocimiento sin graves perturbaciones en el sistema. sistema descrito por Bohr. Si bien es posible en principio, tal situación parece improbable en la práctica. Propiedades importantes de los sistemas inanimados dependen con frecuencia de los detalles microscópicos de la función de onda: no parece haber ninguna buena razón para suponer que los biosistemas serán diferentes de los inanimados en este sentido.

Un argumento algo diferente se basa en que muchas características observadas en los organismos vivos pueden explicarse adecuadamente en términos de las propiedades físicas y químicas de sus constituyentes. Si estas propiedades físicas y químicas pueden explicarse a su vez en términos de mecánica cuántica, uno tiene la impresión, extrapolando un poco, de que la vida misma puede reducirse a la mecánica cuántica. El defecto de este argumento reside en la forma en que no distingue entre explicaciones que son necesariamente aproximadas y cálculos que, en condiciones ideales, son en principio exactos. Como idealización, una técnica experimental perfecta permitiría la creación de un sistema experimental que correspondiera exactamente a un modelo teórico particular bien definido, cuyo comportamiento, si se dispusiera de una potencia de cálculo ilimitada y si se conociera exactamente el hamiltoniano que describe la evolución del tiempo, podría calcularse con precisión arbitraria. Esta computabilidad perfecta depende crucialmente del hecho de que se trate de una situación correspondiente al caso (iii) de la sección 2. Los sistemas vivos en su estado natural, por otra parte, corresponden al caso (iv).

Un argumento final depende de la supuesta continuidad entre la vida y la no vida. De los dos supuestos, que hay poca diferencia entre una molécula muy grande y un organismo muy pequeño, y que las propiedades de las moléculas grandes pueden calcularse rigurosamente a partir de la mecánica cuántica si se cuenta con suficiente poder de cálculo, parecería deducirse que las propiedades de un Un organismo vivo se puede calcular sobre la base de la mecánica cuántica.

La situación aquí es casi exactamente la misma que la que acabamos de comentar. Una vez más, el argumento descuida la importancia de las “diferencias en las condiciones de observación”, en otras palabras, las diferencias entre los casos (iii) y (iv). En el caso de la molécula, el proceso de preparación crea moléculas específicas, cuyo espectro de excitación , si es relevante, puede inferirse con precisión adecuada para los fines en cuestión a partir de un modelo adecuado, por lo que las propiedades del sistema de interés pueden, en principio, calcularse a partir de primeros principios. Sin embargo, en el caso de un organismo vivo, las condiciones de preparación no están bajo este grado de control preciso, e incluso si se pudiera determinar la estructura molecular, la estructura electrónica sería incierta, y la incertidumbre posiblemente no sea importante para un organismo muy pequeño como como virus, pero muy grande para organismos más grandes.

5. Discusión

Los argumentos expuestos anteriormente han servido para confirmar desde varios puntos de vista la existencia de dificultades en la aplicación de la mecánica cuántica a situaciones generales que ocurren en la naturaleza. Se ha demostrado que son ingenuas diversas creencias comunes según las cuales, en principio, no existen dificultades para aplicar la mecánica cuántica a los sistemas vivos. Esta sección se ocupará de una serie de cuestiones más profundas.

El problema que se ha discutido es la dificultad para definir el estado de ciertos tipos de sistemas, incluidos los organismos vivos, para que se les pueda aplicar el formalismo cuántico con el fin de hacer predicciones de comportamiento futuro. Cabe señalar que esta imprevisibilidad no es simplemente equivalente al tipo estándar de imprevisibilidad cuántica involucrada en situaciones como la desintegración espontánea de un núcleo radiactivo. Los biosistemas son en general menos impredecibles en su comportamiento que los núcleos radiactivos, ya que a menudo las leyes de comportamiento de los organismos pueden encontrarse por medios empíricos, y estas leyes pueden extrapolarse para hacer predicciones del comportamiento futuro del mismo organismo y de otros. organismos del mismo tipo.

La cuestión importante es la de si existen medios legítimos (medios que estén bien definidos y no se creen arbitrariamente ad hoc para adaptarse a una situación dada) para derivar leyes empíricas como estas basándose únicamente en principios fundamentales. La dificultad se hace evidente si imaginamos que se ha ideado un modelo cuántico que puede reproducir todas las características observadas de un organismo determinado. A menos que hubiera algo específicamente no arbitrario en la elección del modelo, cualquier afirmación de haber predicho las propiedades observadas sobre la base de la teoría cuántica implicaría una circularidad evidente.

Quizás haya una manera de definir un conjunto de todas las formas de vida posibles (o un vector de estado equivalente de muchos mundos), que contendría cualquier forma de vida particular dentro de él. Si existiera, tal vez se podrían calcular todas las leyes generales de comportamiento de cualquier organismo determinado. Incluso sobre esa base, derivar el comportamiento de un organismo a partir de primeros principios habría requerido considerar la vida en su conjunto, una consideración innecesaria para comprender el comportamiento de la materia en el laboratorio de física.

Las consideraciones del principio antrópico(7) sugieren que existe una relación íntima entre la vida y las condiciones que prevalecen en el origen del universo. Por lo tanto, derivar cualquier conjunto de formas de vida debe implicar la consideración de los orígenes. La “función de onda del universo” de Hartle y Hawking (8) fue un intento de producir un modelo de la realidad que no tuviera condiciones límite arbitrarias en el origen del universo. Pero al analizar su punto de vista, Hawking(9) admite que su función de onda universal no puede describir cada detalle de la realidad tal como la percibimos; de hecho, no proporciona una “descripción de todo”. Así, como intento de descartar ab initio sutilezas de la naturaleza que la ciencia sería incapaz de definir basándose únicamente en sus ecuaciones, la idea de la “función de onda del universo” parece fracasar; la idea es tan consistente con entidades como los “significados más profundos” postulados por David Bohm como con las propias opiniones antimísticas de Hawking.

Al igual que en el caso del análogo discutido en la sección 3, la física ortodoxa ha apostado todas sus apuestas en un conjunto particular de creencias en cuanto al formato correcto para las descripciones científicas de la naturaleza, ignorando la manifiesta falta de generalidad de la metodología que ha sido un consecuencia de su insistencia en mantener dicho formato. Si el intento de derivar vida y significado sobre la base de la física cuántica tropieza con problemas insolubles, puede ser apropiado reconsiderar la estrategia de la ciencia e intentar trabajar al mismo tiempo en la dirección opuesta. Esta estrategia es evidente en algunos de los escritos recientes de David Bohm y otros autores(3,10-12). Esta línea se profundizará en un artículo posterior.

NOTAS A PIE

/1/ Publicado en Encontrado. Física. 18, 1195-204 (1988).

/2/ Hay una traducción al tailandés disponible en http://eduindexcode.com/limits-to-the-universality-of-quantum-mechanics/ .

/3/ Laboratorio Cavendish, Madingley Road, Cambridge CB3 OHE, Inglaterra.

/4/ en una conferencia complementaria, no incluida en las Actas del Congreso.

REFERENCIAS

1. E. Schroedinger, ¿Qué es la vida? Mente y Materia (Cambridge University Press, Cambridge, 1967), Capítulo 3 de Mente y Materia.

2. D. Bohm, Wholeness and the Implicate Order (Routledge y Kegan Paul, Londres, Boston y Henley, 1980), Capítulo 1.

3. D. Bohm, Unfolding Meaning (Ark, Londres y Nueva York, 1987), Capítulo 3.

4. N. Bohr, Atomic Physics and Human Knowledge (Wiley, Nueva York, 1958), capítulos 2 y 3.

5. E. Wigner, Amer. J. Phys., 31, 6-15 (1963) (reimpreso en JA Wheeler y WH Zurek, Quantum Theory and Measurement (Princeton, Princeton, 1983), sección II.4).

6. P. Dirac, Los principios de la mecánica cuántica (Oxford University Press, Oxford, 1958), Capítulo 2.

7. JD Barrow y FJ Tipler, El principio cosmológico antrópico (Clarendon, Oxford, 1986).

8. JB Hartle y S. Hawking, Phys. Rev. D28, 2960-75 (1983).

9. R. Weber, Diálogos con científicos y sabios (Routledge y Kegan Paul, Londres y Nueva York, 1986), Capítulo 11.

10. CN Villars, Psicoenergética 5, 129-39 (1983).

11. HP Stapp, encontrado. Física. 12, 363-99 (1982).

12 . M. Conrad, D. Home y B. Josephson, en Microphysical Reality and Quantum Formalism, G. Tarozzi y A. van der Merve, eds. (Reidel, Dordrecht, por publicar).

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