Filosofía de la física

En mecánica clásica, el tiempo se considera una magnitud fundamental (es decir, una magnitud que no puede definirse en términos de otras magnitudes). Sin embargo, ciertas teorías, como la gravedad cuántica de bucles, afirman que el espaciotiempo es emergente. Como dijo Carlo Rovelli , uno de los fundadores de la gravedad cuántica de bucles: «No más campos en el espaciotiempo: solo campos en campos». ^{[ 2 ]} El tiempo se define mediante la medición, por su intervalo de tiempo estándar. Actualmente, el intervalo de tiempo estándar (llamado « segundo convencional » o simplemente «segundo») se define como 9.192.631.770 oscilaciones de una transición hiperfina en el átomo de cesio 133. ( ISO 31-1 ). Qué es el tiempo y cómo funciona se deduce de la definición anterior. El tiempo puede entonces combinarse matemáticamente con las magnitudes fundamentales de espacio y masa para definir conceptos como velocidad , momento , energía y campos .

Tanto Isaac Newton como Galileo Galilei , ^{[ 3 ]} así como la mayoría de las personas hasta el siglo XX, pensaban que el tiempo era el mismo para todos en todas partes. ^{[ 4 ]} La concepción moderna del tiempo se basa en la teoría de la relatividad de Albert Einstein y el espacio-tiempo de Hermann Minkowski , en el que las tasas de tiempo transcurren de manera diferente en diferentes marcos de referencia inerciales, y el espacio y el tiempo se fusionan en el espacio-tiempo . La relatividad general de Einstein, así como el corrimiento al rojo de la luz de galaxias distantes que se alejan, indican que todo el Universo y posiblemente el espacio-tiempo mismo comenzaron hace unos 13.800 millones de años en el Big Bang . La teoría de la relatividad especial de Einstein hizo en gran medida (aunque no universalmente) que las teorías del tiempo donde hay algo metafísicamente especial sobre el presente parezcan mucho menos plausibles, ya que la dependencia del tiempo del marco de referencia parece no permitir la idea de un momento presente privilegiado.

El espacio es una de las pocas magnitudes fundamentales en física, lo que significa que no puede definirse mediante otras magnitudes, ya que actualmente no se conoce ninguna más fundamental. Por lo tanto, al igual que otras magnitudes fundamentales (como el tiempo y la masa ), el espacio se define mediante la medición. Actualmente, el intervalo espacial estándar, denominado metro estándar o simplemente metro, se define como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 de segundo (exacto).

En la física clásica , el espacio es un espacio euclidiano tridimensional donde cualquier posición puede describirse mediante tres coordenadas y parametrizarse por el tiempo. La relatividad especial y general utilizan un espaciotiempo de cuatro dimensiones en lugar de un espacio tridimensional; y actualmente existen muchas teorías especulativas que utilizan más de tres dimensiones espaciales.

El principio de incertidumbre es una relación matemática que establece un límite superior para la precisión de la medición simultánea de cualquier par de variables conjugadas , por ejemplo, posición y momento. En el formalismo de la notación de operadores , este límite es la evaluación del conmutador de los operadores correspondientes a las variables.

El principio de incertidumbre surgió como respuesta a la pregunta: ¿Cómo se mide la posición de un electrón alrededor de un núcleo si un electrón es una onda? Cuando se desarrolló la mecánica cuántica, se consideró una relación entre las descripciones clásica y cuántica de un sistema mediante la mecánica ondulatoria.

El teorema de Bell es un término que engloba varios resultados estrechamente relacionados en física, los cuales determinan que la mecánica cuántica es incompatible con las teorías locales de variables ocultas, dadas ciertas suposiciones básicas sobre la naturaleza de la medición. "Local" se refiere aquí al principio de localidad , la idea de que una partícula solo puede verse influenciada por su entorno inmediato y que las interacciones mediadas por campos físicos no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz . Las " variables ocultas " son propiedades hipotéticas de las partículas cuánticas que no están incluidas en la teoría, pero que, sin embargo, afectan el resultado de los experimentos. En palabras del físico John Stewart Bell , de quien toma su nombre esta familia de resultados: "Si [una teoría de variables ocultas] es local, no concordará con la mecánica cuántica, y si concuerda con la mecánica cuántica, no será local". ^{[ 6 ]}

El término se aplica ampliamente a varias derivaciones diferentes, la primera de las cuales fue introducida por Bell en un artículo de 1964 titulado "Sobre la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen ". El artículo de Bell fue una respuesta a un experimento mental de 1935 que Albert Einstein , Boris Podolsky y Nathan Rosen propusieron, argumentando que la física cuántica es una teoría "incompleta". ^{[ 7 ] [ 8 ]} Para 1935, ya se reconocía que las predicciones de la física cuántica son probabilísticas . Einstein, Podolsky y Rosen presentaron un escenario que implica preparar un par de partículas de tal manera que el estado cuántico del par esté entrelazado , y luego separar las partículas a una distancia arbitrariamente grande. El experimentador tiene la opción de realizar posibles mediciones en una de las partículas. Cuando elige una medición y obtiene un resultado, el estado cuántico de la otra partícula aparentemente colapsa instantáneamente en un nuevo estado que depende de ese resultado, sin importar cuán lejos esté la otra partícula. Esto sugiere que, o bien la medición de la primera partícula influyó de alguna manera en la segunda partícula a una velocidad superior a la de la luz, o bien las partículas entrelazadas poseían alguna propiedad no medida que predeterminaba sus estados cuánticos finales antes de separarse. Por lo tanto, asumiendo la localidad, la mecánica cuántica debe ser incompleta, ya que no puede ofrecer una descripción completa de las verdaderas características físicas de la partícula. En otras palabras, las partículas cuánticas, como los electrones y los fotones , deben poseer alguna propiedad o atributo no incluido en la teoría cuántica, y las incertidumbres en las predicciones de esta teoría se deberían entonces al desconocimiento o la incognoscibilidad de dichas propiedades, posteriormente denominadas "variables ocultas".

Bell llevó el análisis del entrelazamiento cuántico mucho más lejos. Dedujo que si las mediciones se realizan de forma independiente en las dos partículas separadas de un par entrelazado, entonces la suposición de que los resultados dependen de variables ocultas dentro de cada mitad implica una restricción matemática sobre cómo se correlacionan los resultados de las dos mediciones. Esta restricción se denominaría más tarde desigualdad de Bell . Bell demostró entonces que la física cuántica predice correlaciones que violan esta desigualdad. En consecuencia, la única forma en que las variables ocultas podrían explicar las predicciones de la física cuántica es si son "no locales", es decir, que de alguna manera las dos partículas pueden tener correlaciones no clásicas sin importar cuán separadas estén. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En los años siguientes se propusieron múltiples variaciones del teorema de Bell, introduciendo otras condiciones estrechamente relacionadas, generalmente conocidas como desigualdades de Bell (o de tipo Bell). El primer experimento rudimentario diseñado para probar el teorema de Bell fue realizado en 1972 por John Clauser y Stuart Freedman . ^{[ 11 ]} Desde entonces, se han realizado numerosos experimentos más avanzados, conocidos colectivamente como pruebas de Bell . Hasta la fecha, las pruebas de Bell han demostrado consistentemente que los sistemas físicos obedecen la mecánica cuántica y violan las desigualdades de Bell; es decir, que los resultados de estos experimentos son incompatibles con cualquier teoría de variables ocultas locales. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La naturaleza exacta de los supuestos necesarios para demostrar una restricción de tipo Bell sobre las correlaciones ha sido objeto de debate entre físicos y filósofos. Si bien la importancia del teorema de Bell es indiscutible, sus implicaciones completas para la interpretación de la mecánica cuántica aún no se han resuelto.

En marzo de 1927, trabajando en el instituto de Niels Bohr , Werner Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, sentando así las bases de lo que se conocería como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Heisenberg había estado estudiando los trabajos de Paul Dirac y Pascual Jordan . Descubrió un problema con la medición de las variables básicas en las ecuaciones. Su análisis demostró que siempre surgían incertidumbres, o imprecisiones, al intentar medir la posición y el momento de una partícula simultáneamente. Heisenberg concluyó que estas incertidumbres o imprecisiones en las mediciones no eran culpa del experimentador, sino que eran de naturaleza fundamental y propiedades matemáticas inherentes a los operadores en mecánica cuántica, derivadas de las definiciones de estos operadores. ^{[ 14 ]}

La interpretación de Copenhague se define de forma algo imprecisa, ya que muchos físicos y filósofos de la física han propuesto puntos de vista similares, aunque no idénticos, sobre la mecánica cuántica. Se asocia principalmente con Heisenberg y Bohr, a pesar de sus diferencias filosóficas. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Entre las características comunes a las interpretaciones de tipo Copenhague se incluyen la idea de que la mecánica cuántica es intrínsecamente indeterminista, con probabilidades calculadas mediante la regla de Born , y el principio de complementariedad , que establece que los objetos poseen ciertos pares de propiedades complementarias que no pueden observarse ni medirse simultáneamente. ^{[ 17 ]} Además, el acto de "observar" o "medir" un objeto es irreversible, y no se le puede atribuir ninguna verdad, salvo en función de los resultados de su medición . Las interpretaciones de tipo Copenhague sostienen que las descripciones cuánticas son objetivas, es decir, independientes de cualquier factor arbitrario en la mente del físico. ^{[ 18 ] : 85–90}

La interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica, propuesta por Hugh Everett III, sostiene que la función de onda de un sistema cuántico nos revela información sobre la realidad de dicho sistema físico. Niega el colapso de la función de onda y afirma que los estados de superposición deben interpretarse literalmente como una descripción de la realidad de los muchos mundos donde se ubican los objetos, y no simplemente como una indicación de la indeterminación de esas variables. Esto se suele considerar un corolario del realismo científico ^{[ 19 ]} , que postula que las teorías científicas buscan ofrecer descripciones literalmente verdaderas del mundo.

Un problema para la interpretación de Everett es el papel que desempeña la probabilidad en esta explicación. La explicación everettiana es completamente determinista, mientras que la probabilidad parece desempeñar un papel ineludible en la mecánica cuántica. ^{[ 20 ]} Los everettianos contemporáneos han argumentado que se puede obtener una explicación de la probabilidad que siga la regla de Born a través de ciertas demostraciones de la teoría de la decisión, ^{[ 21 ]} pero aún no hay consenso sobre si alguna de estas demostraciones es exitosa. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

El físico Roland Omnès señaló que es imposible diferenciar experimentalmente entre la visión de Everett, que afirma que la función de onda se decoherente en mundos distintos, cada uno de los cuales existe por igual, y la visión más tradicional que sostiene que una función de onda decoherente deja un único resultado real. Por lo tanto, la disputa entre ambas visiones representa un gran abismo. «Cada característica de la realidad ha reaparecido en su reconstrucción mediante nuestro modelo teórico; todas excepto una: la unicidad de los hechos». ^{[ 25 ]}

La física aristotélica concebía el universo como una esfera con un centro. La materia, compuesta por los elementos clásicos : tierra, agua, aire y fuego, tendía a descender hacia el centro del universo, el centro de la Tierra, o a ascender, alejándose de él. Los objetos del éter , como la Luna, el Sol, los planetas o las estrellas, orbitaban alrededor del centro del universo. ^{[ 26 ]} El movimiento se define como un cambio de lugar, ^{[ 26 ]} es decir, del espacio. ^{[ 27 ]}

Los axiomas implícitos de la física aristotélica con respecto al movimiento de la materia en el espacio fueron reemplazados en la física newtoniana por la primera ley del movimiento de Newton . ^{[ 28 ]}

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, excepto en la medida en que se ve obligado a cambiar de estado por fuerzas externas.

«Todo cuerpo» incluye la Luna y una manzana; e incluye todo tipo de materia, aire, agua, piedras o incluso una llama. Nada tiene un movimiento natural o inherente. ^{[ 29 ]} El espacio absoluto es el espacio euclidiano tridimensional , infinito y sin centro. ^{[ 29 ]} Estar «en reposo» significa estar en el mismo lugar en el espacio absoluto a lo largo del tiempo. ^{[ 30 ]} La topología y la estructura afín del espacio deben permitir el movimiento en línea recta a una velocidad uniforme; por lo tanto, tanto el espacio como el tiempo deben tener dimensiones definidas y estables . ^{[ 31 ]}

Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) fue contemporáneo de Newton. Contribuyó significativamente a la estática y la dinámica que surgían a su alrededor, aunque a menudo discrepaba con Descartes y Newton . Desarrolló una nueva teoría del movimiento ( dinámica ) basada en la energía cinética y la energía potencial , que postulaba el espacio como relativo, mientras que Newton estaba completamente convencido de que el espacio era absoluto. Un ejemplo importante del pensamiento físico maduro de Leibniz es su Specimen Dynamicum de 1695. ^{[ 32 ]}

Hasta el descubrimiento de las partículas subatómicas y la mecánica cuántica que las rige, muchas de las ideas especulativas de Leibniz sobre aspectos de la naturaleza que no se pueden reducir a la estática y la dinámica tenían poco sentido.

Se anticipó a Albert Einstein al argumentar, en contra de Newton, que el espacio , el tiempo y el movimiento son relativos, no absolutos: ^{[ 33 ]} "En cuanto a mi propia opinión, he dicho más de una vez que considero que el espacio es algo meramente relativo, como lo es el tiempo, que lo considero un orden de coexistencias, como el tiempo es un orden de sucesiones." ^{[ 34 ]}