Stargate SG-1: determinismo científico

El de hoy es uno de esos pocos envíos en los que no comentaré un error o gazapo, sino un acierto. Otra vez se trata de la serie televisiva Stargate SG-1, concretamente en uno de los últimos episodios de la sexta temporada.

Resulta que uno de los personajes (que no mencionaré, ya podría ser un spoiler) comienza a tener breves visiones del momentos del futuro (no, no, esto no es la buena ciencia que voy a comentar, claro). La cosa se pone interesante cuando en una ocasión, al intentar prevenir un hecho futuro, lo que hace es provocarlo (argumento clásico de la ciencia ficción, que me encanta). El personaje se agobia, y se pone a filosofar con la Mayor Carter sobre el futuro y si está determinado o se puede alterar (para redondear la cosa, visitaban un planeta en el que los habitantes tenían una profecía que encajaba con ellos). Ella le menciona que según la «física newtoniana», si se conoce la posición y velocidad de todas las partículas del universo en cualquier momento, se puede predecir su comportamiento futuro, hasta el final de los tiempos. Pero luego añade que la mecánica cuántica tiró por los suelos esa idea, le explica el Principio de Indeterminación de Heisenberg (bastante bien, por cierto), y concluye que sólo se puede hablar de probabilidades. El personaje (cuyo nombre sigo sin mencionar) se alivia un poco pensando que entonces, sí que puede cambiar el futuro que ve en sus visiones.

Bueno, salvando el hecho de que el determinismo no aparece sólo en la mecánica clásica newtoniana, sino en todas (o casi todas) las ramas de la física, la reflexión que hace y la forma de exponerlo es acertada (aunque la conclusión final es discutible). Hasta el desarrollo de la mecánica cuántica, toda la evidencia empírica corroboraba el determinismo científico. Esto quiere decir que si uno pudiera conocer todas las leyes físicas que rigen el comportamiento del universo, y el estado completo del mismo en un momento dado, se podría predecir su evolución a todos los niveles, y hasta cualquier momento del futuro (lo que incluiría, por ejemplo, predecir los números premiados de la lotería o las decisiones de una persona).

Obviamente, aunque conociéramos todas las leyes existentes (que no las conocemos), es imposible conocer el estado completo del universo, átomo a átomo, partícula a partícula, por lo que nunca podremos aplicar completamente esta idea. Pero este concepto es fundamental para el método científico: Si en un determinado fenómeno, experimento u observación, la predicción teórica no concuerda con la observación realizada, o bien tenemos datos erróneos o incompletos, o bien estamos utilizando una ley errónea o incompleta. Así, cuando los astrónomos comprobaron que el movimiento de Urano no se ajustaba del todo a las leyes de Newton, dedujeron que había algún otro planeta desconocido por ahí, influyendo con su gravedad. Y así se descubrió Neptuno. Teníamos datos incompletos. En el otro extremo, cuando tampoco el movimiento de Mercurio se ajustaba a la teoría newtoniana, resultó que era la teoría la que estaba mal, y hubo que esperar a la relatividad general de Einstein para explicar dicho movimiento.

Pero llegó la mecánica cuántica, e introdujo indeterminación y aleatoriedad en nuestra concepción determinista del universo. Ya hablé en una ocasión del Principio de Indeterminación de Heisenberg, que nos dice básicamente que no podemos conocer con toda la precisión que queramos, la posición y velocidad de una partícula. Cuanto más determinemos una de las variables, más indeterminada estará la otra. Así que á lo más que podemos aspirar es a conocer regiones del espacio y rangos de velocidad, donde la probabilidad de que la partícula se encuentre ahí sea alta. A demás, a esta complicación se le añade el hecho de que el efecto observador es muy importante en la mecánica cuántica, dado el pequeño tamaño de los objetos de estudio. Para conocer el estado de una partícula, debemos hacer que interaccione con otra, y por tanto, estaremos modificando su estado original. Para ilustrar esto, imaginad que queremos medir la temperatura de un objeto de masa similar al termómetro que usemos. Si la diferencia de temperatura entre nuestro objeto de estudio y el termómetro es muy elevada, una vez se hayan igualado las temperaturas, el objeto habrá perdido o ganado una cantidad muy importante de calor, con respecto a la que tenía originalmente. Imaginemos un caso extremo en el que queramos medir la temperatura de un único copo de nieve con un termómetro. Si el termómetro tiene la temperatura de nuestra mano, en cuanto lo pongamos en contacto con el copo, se derretirá.

Para modelar el mundo subatómico, se utiliza lo que se conoce como función de onda, que tiene una matemática bastante complicada. Olvidáos del familiar espacio tridimensional (o cuatridimensional, no nos olvidemos del tiempo). Aquí se trata con más dimensiones. Olvidaos de las partículas. Aquí se trata con cosas que son mezcla de partículas y ondas. Y olvidaos de conocer el estado concreto de una partícula en un momento dado. En nuestro modelo matemático, las cosas tienen probabilidades y varios estados simultáneos. Y lo curioso es que pese a todo esto, la evolución de la función de onda es determinista, hasta el momento en el que se realiza una observación, y obtenemos un resultado concreto de los muchos posibles que nos indica nuestro modelo. Esta peculiaridad de la mecánica cuántica, denominada colapso de la función de onda, puede interpretarse de muchas formas.

Podemos pensar que simplemente nuestro modelo no es del todo correcto, o que hay datos que no estamos teniendo en cuenta, de forma que esta aparente aleatoriedad refleja los errores de nuestra teoría. Ante esta reflexión hay que tener en cuenta que la mecánica cuántica ha demostrado su validez permitiéndonos diseñar y fabricar dispositivos semiconductores basados en silicio, que son la base de la electrónica moderna, si la cual no serían posibles los ordenadores actuales, ni Internet, ni este blog que leéis ahora. Pero también la mecánica clásica nos permitió comprender los movimientos planetarios, y resulta que no es del todo correcta. Una teoría incorrecta puede servir, si nos proporciona una aproximación suficiente, dentro de su ámbito de aplicación. De hecho, la mecánica clásica se sigue utilizando siempre que no descendamos al mundo subatómico, aceleremos hasta velocidades relativistas, o nos acerquemos demasiado a enormes masas. Y hoy en día, sabemos que la relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles. Necesariamente, una de las dos es errónea. ¿Cuál? ¿Sólo una de ellas o las dos? Aún no lo sabemos.

Podemos pensar también que el problema es la observación. Para medir las propiedades de las partículas, las alteramos, y eso nos da un margen de error bastante amplio, que no podemos reducir. Y claro, sin medida, no podemos saber el valor de la propiedad que necesitamos conocer. Fijaos que en estos dos casos, el universo sigue siendo determinista. Lo único que ocurre es que nuestro conocimiento es limitado.

Pero podemos pensar también que hay una aleatoriedad intrínseca en la naturaleza, y que lo más que podemos hacer es acotar el margen de resultados y calcular probabilidades. Esto eliminaría de un plumazo el determinismo científico. También podemos pensar cosas mas extrañas, como que realmente las partículas tienen múltiples existencias simultáneas, pero que nuestra observación hace que conviertan en una sola (de forma incontrolada).

En resumen, desde el punto de vista de la existencia o no de determinismo, las interpretaciones de la mecánica cuántica pueden resumirse en dos:

Dios no juega a los dados. —Albert Einstein.

Dios no sólo juega a los dados, sino que a veces los lanza donde no se pueden ver. —Stephen Hawking.

Una última reflexión: independientemente de que el mundo subatómico sea determinista o no, el mundo macroscópico sí lo es. Siguendo con las metáforas de los dados, el resultado de un lanzamiento es impredecible. Sólo podemos decir que la probabilidad de cada uno de los 6 resultados posibles, es de 1/6. Pero si lanzamos 6 billones de dados, podemos asegurar que cada uno de los 6 resultados posibles, aparecerá en aproximadamente un billón de dados.

Actualización: Me han hecho notar que la mecánica cuántica y la relatividad general no son realmente incompatibles. Podéis leer un artículo al respecto en el excelente y recién descubierto blog El Tamiz. Os recomiendo especialmente la serie Relatividad sin Fórmulas (sólo relatividad especial) y Cuántica sin Fórmulas. Hasta un niño entendería cómo lo explica.