EMPIRISMO Y LIBRE INVENCIÓN DE CONCEPTOS

Para comprender el largo debate, entre indeterminación y causalidad, mantenido por Heisenberg y Einstein, que no cesó sino a la muerte del último, nos ayudará tener presente que el empirismo, además de ser un concepto filosófico, es también la actitud que la mayoría de los científicos, consideran inseparable de su trabajo. Es, por lo menos, la de quienes ponen su énfasis en la observación, y sienten un aprecio menor por la especulación teórica, sometiéndola, de modo firme, al contraste con los datos experimentales.
En mi modesta opinión de simple aficionado, una cosa es que el juez último de un trabajo científico, sea la comparación de las predicciones teóricas con los experimentos, y otra distinta, y puede que más radical, la de que todos los elementos de las teorías, se refieran siempre y necesariamente, a cantidades observables. Podemos observar el contraste cotidiano entre estas dos exigencias, en la tensión que suele establecerse, entre teóricos y experimentadores. Los primeros no sienten empacho alguno, en usar representaciones abstractas, muy alejadas de toda imagen intuitiva. Los segundos suelen sentirse incómodos, con todo lo que no sea susceptible de medida inmediata en un laboratorio.

Albert Einstein

Quizá la manifestación más famosa de empirismo, sea aquella de Newton: “Hypotheses non fingo” (No invento hipótesis). En su juventud Einstein, había dedicado mucha atención al empirismo y al positivismo, estudiando al detalle el “Ensayo sobre el entendimiento humano” de David Hume. Lo que a Einstein parecía interesarle, especialmente, era conocer el mundo y, singularmente, saber si de la observación de los fenómenos, es posible deducir las relaciones de causalidad, que los unen.
El joven Einstein concedió mucha importancia a la obra de Hume (a mi también hace tiempo que me interesa mucho) ya que para éste es imposible, deducir las relaciones de causalidad, desde la simple observación de los fenómenos. Einstein pensaba que si en la física clásica, sí fue posible conocer las leyes objetivas del movimiento, un empirismo radical no podía ya mantenerse en su época. Ello lo deducía de una característica, cada vez más patente en la física moderna: el objeto está cada vez más lejos de nuestra intuición. En 1932, el propio Einstein escribió: “Sabemos ahora que la ciencia, no puede surgir únicamente de lo empírico, que es necesario usar la libre invención de conceptos, que sólo a posteriori puede confrontarse con la experiencia (estas afirmaciones le causarían problemas más tarde, cuando se opuso a la física cuántica). “Este hecho – proseguía Einstein – pudo escapar a las generaciones anteriores, pues cuanto más primitivo es el estado de una ciencia, tanto más fácil es para el científico, vivir la ilusión de que es puro empirismo”.
En su manera de trabajar, Einstein depositaba una enorme confianza en la mente humana. En un conferencia en Oxford en 1933, titulada “Sobre el método de la física teórica”, llegó a afirmar: “Es mi convicción, que la construcción matemática pura, permite descubrir los conceptos y las leyes que los vinculan, lo que nos da la clave, para entender los fenómenos de la naturaleza”. Esta es la libre invención de conceptos, a la que él daba tanta importancia, y que nos muestra a Einstein como un racionalista, en la más pura tradición germánica.
Pero si el empirismo colocó a Einstein en el buen punto de partida, para crear incluso su relatividad especial, necesitó recurrir a conceptos libremente inventados, para llegara a la relatividad general, seguramente su obra más personal. Mientras que había una base experimental para la “relatividad especial”, que estaba ya en el aire, a punto de ser descubierta por algún otro, la “relatividad general” es obra personalísima de Albert Einstein. Creada por él en la más pura tradición racionalista e, incluso, pitagórica. La libre invención de conceptos, llevo a una teoría totalmente contraria a nuestra intuición, pero maravillosamente ajustada, a los datos experimentales.

Para entender bien a Einstein, sería bueno recordar, que uno de los más importantes conceptos libremente inventados, es sin duda el del “átomo”. El positivismo se opuso furiosamente a él, a finales del siglo XIX. Tanto que su obsesión por utilizar exclusivamente, magnitudes directamente observables, planteo un serio obstáculo, que retrasó el establecimiento definitivo, de la hipótesis atómica. Tuvieron que pasar muchos siglos, tras su propuesta por Demócrito, para su aceptación general. De hecho, los átomos no se observaron directamente, hasta los años setenta del siglo XX.
Lo mismo que el átomo, el concepto de electrón fue libremente inventado. Se considera que fue descubierto por el inglés J.J. Thomson en 1897, al estudiar los rayos catódicos.
Es menos conocido que al mismo tiempo que Thomson, el alemán Walther Kauffmann, realizó los mismos experimentos, con la diferencia que los hizo mejor: su valor del cociente de la carga de la masa, era más exacto. Pero, desde su posición de positivista y radicalmente empirista, no pensó jamás que había descubierto una partícula. Se limitó a describir sus resultados sin interpretarlos, no quiso establecer ninguna hipótesis. Thomson si lo hizo, sin sentirse incómodo en modo alguno, por hablar de cosas que no había podido observar directamente. Por ello consiguió un lugar en la historia y un premio Nobel.
Pues eso.

Palma. Ca’n Pastilla a 30 de Mayo del 2020.

EL NÚCLEO SE ROMPE. LISE MEITNER

Publiqué ayer en mi muro de facebook, una muy sucinta biografía, de una física extraordinaria de la que nada sabía hasta hace muy poco, Lise Meitner. Hoy aquí avanzó algo más de su historia y de la gran influencia que tuvo, en la resolución del tema de la fisión nuclear.
Quizá el rompecabezas experimental más notable de la década de 1920, fue le de la energía de los rayos β (los electrones) procedentes de fuentes radiactivas. Dos lugares, Berlín y Cambridge, y dos personas, Lise Meitner (1878-1968) y Charles Drummond Ellis (1895-1980), fueron los protagonistas de una controversia científica y fructífera, agitada también a veces, que transformó nuestra concepción del núcleo del átomo. La disputa giró en torno al espectro β, de los materiales radiactivos, es decir, en torno a la distribución de energía de los electrones, emitidos por sustancias radiactivas.
Ellis y Meitner disponían de datos similares, pero sus interpretaciones de los mismos eran distintas. Conocedora de los postulados de la naciente física cuántica, Meitner creía que los electrones que abandonaban el núcleo, sólo podían tomar unos determinados valores fijos de energía. De este modo, el espectro β debía ser discreto, no continuo. Evidentemente, como sabemos, no es fácil observar tal espectro. El núcleo emite electrones y radiación γ, los cuales, a su vez, colisionan con electrones de la corteza atómica. Desde “fuera” es difícil distinguir, qué electrones proceden directamente del núcleo, y cuales son frutos de procesos secundarios.

En Cambridge, Ellis y James Chadwick (1891-1974) estaban convencidos de que el espectro de los electrones nucleares era continuo y no discreto, como sostenía Meitner, es decir, que el núcleo emitía electrones con todos los valores de energía, entre un mínimo y un máximo, sin atender a “saltos cuánticos”. Para Meitner, los resultados de Chadwick y Ellis no tenían sentido, pues contradecían la mecánica cuántica. Los investigadores de los Laboratorios Cavendish (Universidad de Cambridge) por su parte, tenían una gran confianza en la validez experimental de sus resultados. Además Lord Ernest Rutherford, no era muy amigo de la nueva física cuántica, por lo que no le importaba mucho, que los resultados experimentales contradijeran su postulados.
Meitner y Ellis “observaban” lo mismo: que el espectro de la radiactividad β era continuo en origen, pero los dos “veían” cosas distintas.
Este debate entre Berlín y Cambridge, duró casi diez años, hasta que entre 1927 y 1929 se llegó a una especie acuerdo, en el que el equipo inglés confirmaba su postura: los electrones de la radiactividad β tiene, en origen, energías que varían desde un valor mínimo a un valor máximo; el espectro de estos electrones, sería así, continuo. Parecía que se ponía en cuestión, algunas de las ideas fundamentales de la física cuántica.
Y no solo eso. Si los átomos emitían electrones con energías variables ¿cómo era posible que su energía, antes y después de la emisión, fuera siempre la misma? Niels Bohr volvió a echar mano a una propuesta que ya había hecho tiempo atrás: la no-conservación de la energía en la radiactividad β. Aunque en esta ocasión no llegó a publicar nada al respecto, ya que, mediante su correspondencia con otros colaboradores, pudo comprobar el rechazo que levantaba tal idea.
Otra solución, igualmente a la desesperada, fue la que propuso Wolfgang Pauli en 1930. En una famosa carta, fechada el 4 de diciembre, y dirigida a los asistentes a un congreso sobre radiactividad, Pauli propuso que en la emisión β, el núcleo emitía una partícula neutra, desconocida hasta entonces, cuya energía correspondería con la que le faltaba al electrón. Así, en cada emisión radiactiva, el núcleo emitiría siempre la misma cantidad de energía, y ésta se distribuiría de forma variable, entre el electrón y la partícula neutra. Esta partícula fue posteriormente denominada como “neutrino” y, aunque muy pronto se aceptó su existencia, no fue detectada experimentalmente hasta 1956.

Pero el proyecto que cambiaría para siempre la física nuclear, lo llevaron a efecto Lise Meitner, Otto Hahn (1879-1968) y el joven físico Fritz Strassmann (1902-1980). Estaba claro que, si la parte física consistía en bombardear átomos con neutrones, se precisaba de los químicos para analizar la identidad de los átomos resultantes. Pero en 1938, como ya sabemos, Meitner, de origen judío, tuvo que abandonar Berlín, a causa de la persecución nazi, con lo que el proyecto quedó en manos de Hahn y Strassmann. Meitner tenía la sensación creciente, de que alguna de las hipótesis que estaban utilizando, era incorrecta, pues el comportamiento de los elementos trans-uránicos que estaban empleando, no coincidía con el esperado.
Parece que en una entrevista, que mantuvieron Meitner y Hahn en el Instituto Bohr en Copenhague, la investigadora austriaca sugirió volver a analizar tales elementos, con la esperanza de que no fueran realmente trans-uránico, sino que se tratara de bario, el elemento 56 de la tabla periódica. De ser así, el resultado de bombardear núcleos con neutrones, no seria un elemento de número atómico mayor, sino la ruptura del núcleo. De vuelta a Berlín, Hahn y Strassmann realizaron los análisis que Meitner había sugerido, para comprobar que ella tenía razón. Habían roto el núcleo por la mitad.
Desde que Einstein avanzara su famosa ecuación E=mc², la ciencia ficción había especulado, sobre la posibilidad de transformar materia en energía, y así disponer de una fuente ilimitada de energía. Pero ahora, a las puertas de la Segunda Guerra Mundial, la ficción se había convertido en aterradora realidad. Puestas las bases de la fisión nuclear, la utilización de tal energía para usos destructivos, sólo era cuestión de tiempo.
Pues eso.

Palma. Ca’n Pastilla a 14 de Junio del 2020.

HEISENBERG. PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE O INDETERMINACIÓN

He escrito un par de veces sobre este tema: en mi Blog el 30 de agosto del 2018 (https://senator42.blogspot.com/search/label/Heisemberg) y en mi muro de facebook el 15 de febrero del 2020 “Ciencia y Moral”. No soy científico ni mucho menos, pero me gusta estar enterado, hasta donde entiendo, de los principales conceptos de la ciencia.
Por otra parte, casi por naturaleza, soy muy contrario al determinismo. No me gusta en la Historia, en su forma de “historicismo”; ni en Filosofía, Sociología o Política, bajo las diversas versiones del marxismo; ni en Física, hasta donde alcanzo. Estimo que el mundo que nos rodea, para bien y para mal, es siempre incierto. Alguien escribió: “La aceptación de la incertidumbre, es un medio para resistir a la simplificación de la ignorancia”. Por eso el concepto de “incertidumbre”, como préstamo de la microfísica de Heinsenberg a las ciencias sociales, que resulta algo diferente de la duda, y adopta el sentimiento de ausencia de creencia dogmática o verdad evidente, siempre me ha parecido más que interesante.
Werner Heinsenberg como personaje, siempre me ha atraído. Y no sólo porque fuera también un apasionado montañero. Cuando publiqué mis primeros artículos sobre él y sus teorías, arriba ya mencionados, algunos se limitaron a descalificarle tildándole de nazi. Es lo de siempre: las óperas de Wagner las despreciamos, porque era un sucio antisemita; “Ser y tiempo” de Heidegger no tiene valor filosófico, porque estuvo afiliado al partido nazi. Descalificamos el valor intrínseco de la obra, por la ideología del autor. Un debate inacabable.
Pero es que en el caso de Heinsenberg además, por mucho que he investigado, no he conseguido encontrar prueba alguna, de su ideología nazi. Si era un patriota y un furibundo nacionalista, lo cual tampoco es que me encante. En 1935, por ejemplo, tenía que sustituir a Arnold Sommerfeld (su director de tesis) en la cátedra de la Universidad de Munich. Pero los nazis se opusieron, pues pretendían eliminar toda la teoría física “judaizante”, entre la que incluían la mecánica cuántica, especialidad de Heinsenberg. Si es cierto que, a pesar de esto, en 1938, aceptó dirigir el intento alemán de obtener la bomba atómica, lo cual sabemos no se consiguió. Hay un debate que no cesa, sobre porqué no lo consiguieron. Unos dicen que la causa fue, que el equipo de investigadores alemanes, había errado en su cálculo de la cantidad necesaria de Uranio-235, y de la masa crítica para sostener la reacción. Otros afirman que Heisenberg y otros científicos alemanes, como Max von Laue, siempre dijeron que por razones morales, no intentaron en serio, construir una bomba atómica, y que las circunstancias tampoco se dieron para hacerlo.

Albert Einstein

En fin, fuera como fuera, el caso es que en el verano de 1925, un joven de 23 años entusiasta del excursionismo, que había sido alumno de Niels Bohr en Copenhague, y luego de Max Born en Gotinga, había desarrollado otra aproximación a la mecánica cuántica. Como había hecho el propio Einstein en sus años de juventud, Werner Heisemberg partió de la base de la sentencia de Ernst Mach, de que las teorías debían evitar, cualquier concepto que no pudiera ser observado, medido o verificado. Para el joven Heisenberg, eso significaba evitar el concepto de las órbitas de electrones, dado que las mismas no podían observarse.
En lugar de ello se basó en un planteamiento matemático, que explicara algo que él si podía observar: las longitudes de onda, de las líneas espectrales de la radiación de esos electrones, cuando estas perdían energía. El resultado era tan complejo, que Heisenberg envió su artículo a Born, y se marchó de acampada, con otros miembros de su grupo excursionista, confiando en que su mentor lo descifrara. Y Born, efectivamente, lo hizo. Las fórmulas matemáticas implicaban, lo que hoy conocemos como “matrices”. Born las resolvió e hizo publicar el artículo. Heisenberg procedió luego, a perfeccionar una mecánica matricial, que más tarde se revelaría equivalente, a la mecánica ondulatoria de Schrödinger.
Einstein escribió cortésmente a Hedwig, la esposa de Born, diciéndole que “los conceptos de Heisenberg-Born nos dejan sin aliento”. Pero en otra carta, esta dirigida a Paul Ehrenfest (físico austriaco nacionalizado holandés) Einstein se mostraba más directo: “Heisenberg ha puesto un gran huevo cuántico. En Gotinga creen en ello. Yo no”.
Pero la aportación más famosa y perturbadora de Heisenberg, se produciría dos años más tarde, en 1927, y, para el público en general, constituye uno de los aspectos más conocidos y desconcertantes, de la física cuántica: “el principio de incertidumbre o indeterminación”.
Es imposible conocer – declararía Heisenberg – la “posición” exacta de una partícula (como un electrón en movimiento) y su “momento” exacto (esto es, su velocidad multiplicada por su masa) en un mismo instante. Cuanto más precisamente se mida la “posición” de la partícula, menos precisamente será posible, medir su “momento”. Y la fórmula matemática que describe esta disyuntiva, incorpora (de manera nada sorprendente) la “constante de Planck” (relación entre la energía y la frecuencia, que se denomina también «relación de Planck-Einstein»).
El propio acto de observar algo – de dejar que fotones o electrones, o cualquier otra partícula u onda de energía, toquen el objeto que empleamos para la investigación – afecta a la observación. Pero la teoría de Heisenberg iba más allá. Un electrón, decía, no tiene una posición o trayectoria definida, hasta que lo observamos. Se trata de una característica de nuestro universo, no simplemente de un defecto, de nuestra capacidad de observación o de medición.

Max Born

El “principio de incertidumbre” tan sencillo y, a la vez, tan asombroso, ha sido calificado por algunos científicos, “como una estaca clavada en el corazón de la física clásica”. En resumen, el principio afirma que no hay realidad objetiva, fuera de nuestras observaciones. Además, el principio de Heisenberg y otros aspectos de la mecánica cuántica, socavan la noción de que el universo obedece a leyes causales estrictas. El azar, la indeterminación y la probabilidad, pasaban a ocupar el lugar de la certeza. Einstein escribió a Heisenberg, oponiéndose a tales conceptos. Y éste le respondió abiertamente: “Creo que el indeterminismo, esto es, la invalidez de la causalidad rigurosa, es necesario”.
Cuando Heisenberg fue a Berlín a dar una conferencia, en 1926, pudo reunirse por primera vez con Einstein. Éste le invito a su casa una tarde, y allí ambos entablaron un amistoso debate:
- No podemos observar las órbitas de los electrones dentro del átomo – dijo Heisenberg -. Una buena teoría, debe basarse en magnitudes directamente observables.
- Pero ¿no creerá usted en serio, que sólo las magnitudes observables, deben formar parte de una teoría física? – protestó Einstein.
- ¿No es eso precisamente, lo que usted ha hecho con la relatividad? – preguntó Heisenberg, no sin cierta sorpresa.
Posiblemente empleé esa clase de razonamiento – admitió Einstein -, pero aún así es un sinsentido.
Einstein admitía así, estimo, que sus planteamientos, como poco habían evolucionado.
Einstein mantendría una conversación similar, con su amigo de Praga, Philipp Frank:
- Ha surgido una nueva moda en física – se quejaba Einstein – añadiendo que dicha moda, declaraba que ciertas cosas no podían observarse y, en consecuencia, no debían adscribirse a la realidad.
- ¡Pero si esa moda de la que hablas, la inventaste tu en 1905! – protestó Frank.
A lo que Einstein repuso:
- ¡Un buen chiste no debe repetirse demasiado!
Los avances teóricos, producidos a mediados de la década de 1920, configuraron, de la mano de Niels Bohr y sus colegas, incluido Heisenberg, lo que pasaría a conocerse, como “la interpretación de Copenhague” de la mecánica cuántica. No hay una única “realidad subyacente”, que sea independiente de nuestras observaciones. “Es erróneo creer que la tarea de la física, consiste en descubrir cómo es la naturaleza – declaró Bohr -. La física se ocupa de qué podemos decir nosotros, acerca de la naturaleza”.
Esta imposibilidad de conocer, una supuesta “realidad subyacente”, significaba que no había un determinismo estricto, en el sentido clásico.”Cuando uno desea calcular el “futuro” a partir del “presente”, sólo puede obtener resultados estadísticos – decía Heisenberg-, puesto que nunca pueden descubrirse, todos los detalles del presente”.
Einstein jamás se dejaría convencer, a pesar de que hubo repetidos experimentos, que demostraron la validez de la mecánica cuántica. Seguiría siendo un “realista”, cuyo credo se basaría en la creencia en una realidad objetiva, arraigada en la certeza, que existía independientemente de que nosotros pudiéramos observarla o no.

Niels Bohr

Con los años, Einstein se había adherido, cada vez más, al concepto de realismo, la creencia de que hay, según sus propias palabras, una “situación fáctica real que existe independientemente de nuestras observaciones”. Esta creencia era un aspecto de su malestar, frente al principio de incertidumbre de Heisenberg, y a otras tesis de la mecánica cuántica, que afirmaban que son las observaciones las que determinan las realidades.
Una vez establecido en Princeton, en el Instituto de Estudios Avanzados, Einstein empezó a perfeccionar un experimento mental. El artículo de cuatro páginas, resultante, publicado en mayo de 1953, y conocido como el “artículo EPR”, sería el más importante de los que escribiría Einstein, desde su traslado a Estados Unidos. “¿Puede considerarse completa la descripción de la realidad física, que da la mecánica cuántica?” se preguntaba ya en el título del artículo.
Cuando el artículo llegó a manos de Bohr, en Copenhague, éste se dio cuenta de que, una vez más, se veía obligado a desempeñar el papel de defensor de la mecánica cuántica, frente a un nuevo ataque de Einstein. Y respondió señalando, que el artículo EPR, no disipaba realmente el “principio de incertidumbre”, según el cual, no es posible conocer la posición y el momento precisos de una partícula, “en el mismo instante”.

Werner Heisenberg

Con todo, Einstein no dejo de conspirar, sobre el modo de echar por tierra la mecánica cuántica. “Yo no creo en ella”, declaraba Einstein abiertamente. Ridiculizaba como “espiritualista”, la noción de que pudiera existir una “fantasmagórica” acción a distancia. Y atacaba la idea de que no había realidad, fuera de nuestra capacidad para observar las cosas. “Esta orgía empapada de epistemología, debía quemarse”– decía. “Pero sin duda usted sonreirá y pensará que, después de todo, más de una puta joven se convierte en un beata vieja, y más de un joven revolucionario, se convierte en un viejo reaccionario”. Y en efecto, Schrödinger sí sonreía – le diría a Einstein en su respuesta – debido a que él mismo, había pasado de revolucionario a viejo reaccionario.
Einstein recibió en 1921 el Nobel de Física, pero curiosamente por sus trabajos sobre el “efecto fotoeléctrico”, y no por su Teoría de la relatividad. Murió el 18 de abril de 1955, sin aceptar jamás la física cuántica, y su principio de indeterminación o de Heisenberg. Sus cenizas se arrojaron al río Delaware.
Werner Karl Heisenberg, obtuvo el Nobel de Física en 1932, por sus trabajos sobre la “mecánica de matrices”, y no por su conocido Principio de incertidumbre. Murió en Munich en 1976.
Pues eso.

Palma. Ca’n Pastilla a 28 de Abril del 2020.