Las partículas son de verdad

Por Victor Stenger:
En un artículo de Scietific American de diciembre de 2012, el físico David Tong hizo la siguiente declaración:
Los físicos rutinariamente enseñan que los bloques de construcción de la naturaleza son partículas discretas tales como electrones o quarks. Eso es una mentira. Los bloques de construcción de nuestras teorías no son partículas sino campos: objetos continuos y fluidos que se propagan a través del espacio.
Esto es una total equivocación. Jamás nadie ha observado un campo cuántico. Los campos cuánticos son construcciones puramente matemáticas dentro de la teoría cuántica de campos.
Cada campo cuántico tiene asociado con el una partícula a la que se le llama "el cuanto del campo." El fotón es el cuanto del campo electromagnético. El electrón es el cuanto del campo de Dirac. El bosón de Higgs es el cuanto del campo de Higgs. En otras palabras, como el amor y el matrimonio, no puedes tener uno sin el otro. Los bloques de construcción de nuestras teorías son campos y partículas.
Pero observe que lo que Tong llama "una mentira" es la noción de que los bloques de construcción de la naturaleza son partículas discretas en tanto que los campos son los bloques de construcción de nuestras teorías. Es decir, el está igualando naturaleza con teoría.
Tong está revelando su adherencia a una concepción común que existe entre los físicos teóricos de hoy (Paul Dirac y Richard Feynman, entre otros grandes del siglo veinte, no fueron parte de esa escuela). Es decir, los símbolos que aparecen en sus ecuaciones matemáticas representan la "realidad verdadera" mientras que nuestras observaciones, que siempre parecen partículas localizadas, son sólo la manera en que esa realidad se manifiesta.
La asociación de símbolos matemáticos con la realidad verdadera es precisamente la filosofía que fue propuesta por Platón hace 2, 400 años en su teoría de las formas. El platonismo es más teología que ciencia, y Platón no fue científico. Aseguro que un artesano divino llamado el Demiurgo construyó el cosmos de acuerdo a un plan divino. Existen dos reinos: un reino de las formas o ideas que es perfecto y un reino material en el que estas formas o ideas se replican imperfectamente (Lindberg, p. 36).
Como alguién que pasó 40 años como físico experimental en partículas elementales, llevó una perspectiva diferente. Comencé en los 1960's analizando las imágenes de la cámara de burbujas dónde uno se sienta en una mesa de escanneo y traza las hermosas huellas de las burbujas fotografiadas durante el tiempo en el que el líquido supercaliente dentro de la cámara fue expuesto a un haz de un acelerador.
Jamás se nos ocurrió a mis colaboradores y a mí describir lo que observabamos como algún tipo de campo en un espacio multidimensional abstracto. (Los campos cuánticos no viven en un espacio-tiempo familiar, a pesar de la afirmación de Tong). Interpretábamos los rastros de las burbujas como el efecto de partículas cargadas ionizando los átomos del líquido y produciendo ebulliciones localizadas a lo largo de sus trayectos. Los trayectos eran curvados debido a un magneto externo que producía un campo magnético en el interior de la cámara, y al medir la curvatura de una trayectoria individual el momento de la partícula podía ser determinado. De la tasa en que la partícula disminuye la velocidad como de la pérdida de energía en la inonización podíamos también dseterminar su velocidad y, a partir de estas dos medidas, determinar la energía de la partícula.
Estas mediciones nos permitían detectar la presencia de muchos objetos nuevos, que también llamábamos "partículas", que nunca antes habíamos visto. Algunas eran tan inestables que no vivían lo suficiente para dejar una huella medible en la cámara. Fueron detectadas por la masa faltante calculada a partir de las mediciones de las partículas que sí dejaban huella en un evento completo.
Por ejemplo, suponga que la cámara está llena de hidrógeno y expuesta a un haz de piones de muy ala energía. Entonces observarás la huella de un pión entrando y chocando con un protón del hidrógeno. Eso se llama un "evento". Luego mides los momentos y las energías de las huellas salientes y usas la conservación de la energía y el momento para determinar cualquier masa faltante.
Aunque los detectores que se encuentran en los colisionadores gigantes de hoy, tales como el Large Hadron Collider, son mucho más sofisticados que la cámara de burbujas, operan sobre el mismo principio general. Miden el momento y la energía por la curvatura magnética y la energía depositada.
Y, los trabajadores en el LHC no hablan de colisionar los campos cuánticos de dos protones para medir las longitudes de onda de algunas ondas abstractas oscilando en algún imaginario éter. Ellos hablan de estallar partículas y de medir la partículas que ven salir.
El punto es, aunque nuestras teorías matemáticas se expresan en términos de campos abstractos, lo que siempre medimos se describe mejor como partículas.
Por ejemplo, considere el famoso experimento de la doble rendija. La luz descrita como un campo electromagnético oscilante u "onda" pasa a través de dos rendijas estrechas produciendo un patrón de intensidad sobre una pantalla que se caracteriza por una serie de franjas de "interferencia" brillantes y oscuras igualmente espaciadas y alternantes. La distancia entre las franjas puede ser utilizada para calcular la longitud de onda del campo oscilante.
Sin embargo, si en lugar de la pantalla tienes una colección de fotodetectores sensitivos al nivel de un fotón, detectarás fotones individuales --las partículas que constituyen la luz de acuerdo a la teoría de Einstein del efecto fotoeléctrico de 1905. Es decir, no detectas un campo o una onda. Tú detectas una partícula. El patrón de franjas no aparece hasta que tienes acumulada la distribución estadística de un gran número de fotones. La así llamada "naturaleza ondulatoría" de la luz no es una característica de un único fotón; es una característica del comportamiento de un conjunto de muchos fotones.
Ahora, otras escuelas filosóficas existen junto al platonismo. La mayoría de los experimentadores, si se les arrastra a tener que pensar en un problema filosófico, probablemente dirán que los objetos que observan, a los que llaman partículas, son "reales". Pero entonces, no tienen mejores medios para probar esa afirmación de la que sus colegas teóricos tienen para insistir que solamente los campos son reales.
Los problemas sobre la naturaleza de la realidad son metafísicos. Implican que no hay observaciones que puedan adjudicarse científicamente a los problemas. Si así fuera, serían físicos y no metafísicos. Solamente sé de otras dos maneras por las cuales podríamos determinar la naturaleza de la realidad fuera del reino de la observación: revelación y razón. Dudo mucho que los físicos teóricos crean en la revelación, y los pocos que sí no hacen intentos en aplicarlo  a su trabajo y así evitan la burla de sus colegas.
Eso deja a la razón. Platón, Aristóteles, San Agustin, Santo Tomás de Aquino, Manuel Kant, y muchos otros grandes pensadores de la historia han afirmado que la razón sin la observación es capaz de descubrir verdades acerca del mundo. El problema es, a pesar de los miles de años de tratar, aún no han venido con un sólo ejemplo de tal verdad que haya sido objetivamente verificada.
Nadie duda que la luna es real, y es solamente una partícula cuando se la ve lo suficientemente lejos. ¿De que manera es diferente de un fotón registrado en un fotodetector? Así que, aún si no puedo probarlo, parece razonable que los fotones, electrones, quarks, neutrinos, y bosones de Higgs son de verdad.

¿Materialismo deconstruido?

Por Victor Stanger:
En mí último blog me opuse a una afirmación hecha por el físico David Tong en Scientific American en Diciembre de 2012 quién expresó que es una "mentira" que los bloque constructivos de la naturaleza sean partículas discretas tales como electrones o quarks. Mas bien, Tong afirmó, los bloques constructivos de nuestras teorías son campos cuánticos.
Aquí quiero explicar por qué esto no es sólo un asunto pedagógico, una disputa trivial entre dos intelectuales. Tiene consecuencias reales sobre cómo los especialistas fuera de la física, así como también sobre el público lector, interpretan los dramáticos desarrollos en la física fundamental, tanto experimental como teórica, que comenzó a principios del siglo XX y que aún continúa. Se crea o no, el debate partícula-campo afecta fuertemente las discusiones sobre teología, espiritualidad y la interacción de la religión con la ciencia.
Aquellos que leen la literatura popular sobre ciencia y religión, como el artículo de Tong, pueden recibir la impresión que la física moderna ha refutado la imagen de los átomos y del vacío propuesta por Demócrito y los demás filósofos Griegos de hace milenios. Por ejemplo, en The New Sciences of Religion: Exploring Spirituality From the Outside in and Bottom Up, el apologeta cristiano William Grassie dice, "El concepto del materialismo se ha deconstruido a sí mismo con el advenimiento de la mecánica cuántica y la física de partículas."
Para ser ecuménico, Grassie cita al físico hindú Varadaraja V. Raman: "Los físicos han penetrado en el substrato de la realidad percibida y han descubierto allí un reino enteramente nuevo de entidades, más allá de la imaginación de las mentes más creativas del pasado."
Bien, quizá Demócrito no imaginó los quarks. Pero sí imaginó las partículas de materia y los quarks, por lo menos en el modelo actual, son partículas de materia. "El reino nuevo de entidades" descubierto en la física moderna está apenas más allá de la imaginación. Se imaginan en la teoría cuántica de campos, aunque con solo imaginar algo no lo hace real --a pesar de lo que algunos teólogos afirmen y de lo que algunos físicos parecen creer.
La afirmación de que la mecánica cuántica ha revelado una realidad más allá de la materia se fundamenta en la noción de que existen dos realidades separadas: discreta, partículas y un espacio lleno (plenum) que es el reminiscente del ya desacreditado éter. No obstante, al menos el éter electromagnético era material. El nuevo éter es más abstracto, más en consonancia con la dualidad de mente y cuerpo que se haya incrustrado en todo el pensamiento religioso. Como era de esperar, los teólogos y espiritualistas se deleitan en este nuevo dualismo --puesto en bandeja de plata para ellos por los físicos teóricos.
La idea de que los campos cuánticos abstractos y holísticos son la realidad más profunda mientras que las partículas son simplemente las excitaciones de los campos no comenzó con David Tong. En realidad, se ha convertido casi en un mantra. Por ejemplo, en The Atom in the History of Human Thought, el historiador Bernard Pullman escribe,
En la medida en que la influencia de Demócrito ha formado nuestra concepción del mundo, ha habido una tendencia en enfatizar el aspecto corpuscular del modelo estándard y a introducir una cierta distinción formal entre partículas de materia y las partículas intermediarias asociadas con los campos de fuerza. Como resultado, podemos haber dado la impresión de que este aspecto corpuscular suministra la descripción más exacta de la realidad. Tal punto de vista sería desafortunado, ya que podría obscurecer lo que consideramos hoy como el cuadro más plausible de la realidad, que no sólo unifica los conceptos de partículas y campos, sino que incluso considera a los campos preeminentes sobre las partículas... La realidad fundamental y subyacente del mundo está incorporada en la existencia de un montón de campos y en sus interacciones.
Pullman está aplicando la visión platónica de la realidad, que, como ya he discutido previamente, es la hipótesis de trabajo de la mayoría de los físicos teóricos y matemáticos. Para probar sus modelos, los físicos suponen que los elementos de estos modelos se corresponden de alguna manera con la realidad. Pero están comparados contra los datos que fluyen de nuestros así llamados "detectores de partículas" sobre el piso de un acelerador. Son los datos los que forman los cimientos de nuestro conocimiento. Lo que es fundamental en nuestros modelos no es necesariamente fundamental a nuestro conocimiento. Los modelos son garabatos sobre los pizarrones dentro de la teoría de la construcción física. Esos garabatos se borran fácilmente; los datos no.
En realidad, resultados no publicados están empezando a gotear en los garabatos del pizarrón de una generación de teóricos que describen sus especulaciones en una teoría llamada supersimetría que pueden pronto ser borrados por los datos del LHC. Aunque necesitamos esperar y ver, tales resultados suministrarías dosis de humildad a aquellos que piensan que pueden inferir la realidad sólo mediante sus pensamientos, también un ímpetu para explorar acercamientos menos ortodoxos.
La aplicación de la realidad platónica a la física está cargada de problemas. Primero, las teorías son notoriamente temporales. No hay manera de saber  si la teoría cuántica de campos algún día será reemplazada con otra teoría más poderosa que no haga mención de campos (o partículas, para la materia). Segundo, como todas las teorías físicas, la teoría cuántica de campos es un modelo --una invención humana. Comprobamos nuestros modelos al averigüar si funcionan; pero nunca podemos estar seguros de que se correspondan con la "realidad". Eso es metafísica. Si hubiera una manera empírica de determinar la realidad última, ello sería física, no metafísica. Tercero, todos los campos cuánticos tienen cuantos que asociamos con las así llamadas partículas elementales.
En la teoría cuántica de campos relativista, que es la teoría matemática fundamental de la física de partículas y la base del modelo estándard, cada campo cuántico tiene una partícula asociada conocida como el cuanto del campo. Estas son las partículas elementales del extremadamente exitoso modelo estándard desarrollado en los 1970's. La reciente confirmación del bosón de Higgs fue una grandioso triunfo de la teoría. El fotón es el cuanto del campo electromagnético. El electrón es el cuanto del campo de Dirac. El bosón de Higgs es el cuanto del campo de Higgs. No conozco ejemplos empiricamente verificados donde un campo cuántico exista sin su cuanto. Las partículas son tanto bloques de construcción de nuestras teorías como campos. De hecho, son los mismo bloques de construcción.
No hay excepciones. Para cada campo, contamos con una partícula; para cada partícula, tenemos un campo. Así que, es incorrecto pensar que campo y partícula existen como realidades separadas. No tenemos una dualidad campo-partícula. Tenemos, como Pullman dice, una unidad campo-partícula.
Por favor observe que las partículas elementales del modelo estándard no se piensa que sean como los objetos clásicos tales como bolas de billar; ellas obedecen todas las reglas de la mecánica cuántica. Por ejemplo, como Feynman mostró en 1948, los electrones pueden zigzaguear hacia atrás y hacia adelante en el espacio-tiempo y así aparecen en muchos lugares al mismo tiempo. Esto comúnmente se llama "no localidad" pero un mejor término es "multilocalidad". Note que, en esta imagen, el electrón nunca se mueve más rápido que la velocidad de la luz. Ninguna conexión superluminal de cualquier tipo es requerida cuando reconoces que el tiempo es reversible en física. Me extenderé en eso en otra ocasión.
¿Cómo se relaciona todo esto con la dualidad onda-partícula que lees en los libros de mecánica cuántica (libros de texto al igual que libros populares)? Los autores a menudo escriben, "Un objeto es o partícula u onda, dependiendo de lo que decidas medir." Esto es muy engañoso y a conducido a la muy difundida equivocación de que la mecánica cuántica muestra que la consciencia humana tiene la habilidad de controlar la realidad, a saber, decidir si un objeto es una partícula o una onda. Ese objeto podría ser un pulso de luz de una galaxia a 13, 000 millones de años-luz. Así que, la implicación es que podemos controlar la naturaleza de la realidad con nuestras mentes, esto debe ocurrir no sólo aquí y ahora sino a través del universo y en cada momento del tiempo, pasado y futuro. ¿Tú crees esto? Esto es exactamente lo que los espiritualistas cuánticos, quiénes escuchan que las partículas (que no pueden viajar más rápido que la luz) son una mentira, están diciendo.
Para quiénes no se han movido más allá de la mecánica ondulatoria de Schrödinger no relativista, la imagen ondulatoria suministra un modelo perfectamente bueno para computar los efectos cuánticos, sin tener que pensar en que misterioso éter está haciendo la ondeo. Para los físicos nucleares y de partículas que deben tratar con fenómenos de alta energía, la mecánica cuántica relativista y la teoría cuántica de campos proveen las herramientas para sus cálculos, sin tener que pensar en qué es más real --campos o partículas. Ambas teorías son completamente materialistas y constituyen triunfos para el atomismo de Demócrito.
En resumen, la física cuántica no ha acabado con la materia. La materia puede ser definida como cosas que retroceden cuando tú las golpeas. Cuando golpeas una roca, retrocede. Y cuando golpeas un electrón, retrocede. Y eso no es mentira.