martes, 6 de enero de 2009

Crisis del principio de causalidad. Mecánica cuántica

Sean dos fenómenos distintos A y B. Diremos que A es causa de B si:

1) A antecede a B en el tiempo.
2) Siempre que ocurre el fenómeno A, ocurre también el fenómeno B.

La segunda de las condiciones podríamos llamarla "de necesidad", pues para que exista causalidad, es necesario que siempre que ocurre A se dé también B. Se conoce como "principio de causalidad" a aquel por el cual todo fenómeno está causado por otro(s) anterior(es). Dichas relaciones entre causas y efectos estarían sometidas a ciertas leyes cuya determinación sería labor de la ciencia (física). Así pues, conociendo todas esas leyes, debería ser posible realizar predicciones con exactitud. Sería el caso del hipotético Demonio de Laplace, ser demoniaco capaz de profetizar todo el futuro a partir de un completo conocimiento del presente y de las leyes del universo.

Dicho principio de causalidad, o al menos la versión dada anteriormente, ha entrado en crisis con la física moderna: la relatividad, la teoría del caos y la mecánica cuántica lo han puesto en jaque. Particularmente incisivo me parece el ataque sufrido por la mecánica cuántica. Quisiera explicar de un modo divulgativo en qué consiste.

Es conocido que los átomos que componen la materia ordinaria están compuestos fundamentalmente de protones, neutrones y electrones. Si bien los átomos son habitualmente estables, el neutrón lo deja de ser cuando se encuentra aislado, fuera del átomo. Transcurridos aproximadamente unos 15 minutos, un neutrón aislado se desintegrará de acuerdo al mecanismo de desintegración β-.

El problema es que esos 15 minutos no son un tiempo preciso, sino lo que es conocido como "vida media" del neutrón. Esto quiere decir que si tenemos un número grande de neutrones, aproximadamente la mitad de ellos se desintegrarán antes de los 15 minutos y la otra mitad después. Pero en realidad no sabemos el momento exacto en que se va a desintegrar un neutrón determinado.

Podríamos pensar que dicha desintegración corresponde a un mecanismo que no conocemos, pero que si lo conociéramos podríamos prever el momento exacto en que se desintegrará nuestro neutrón. O sea, que tal vez alguna causa, externa o interna al propio neutrón, sea la responsable de la desintegración del neutrón. Pero las causas externas deberían ser controlables en un laboratorio, lo que no ocurre: la vida media insiste en ser 15 minutos hagamos lo que hagamos en el laboratorio. Y las causas internas se supone que no existen en este caso. Es cierto que (ahora lo sabemos) el neutrón tiene una estructura interna (está formado por 3 quarks) y tal vez se podría esperar que estudiando esa estructura podríamos prever el momento exacto de desintegración de los neutrones. Pero lo mismo que le ocurre al neutrón le sucede a muchas otras partículas que no tienen ninguna estructura interna.

Otro posible modo de tratar de salvar el principio de causalidad antes enunciado consistiría en asumir que, bien, no podemos prever el momento exacto de desintegración del neutrón, sin embargo sabemos que el neutrón dentro de un átomo es estable y fuera de él no. Podríamos decir que la causa de su desintegración es haberlo sacado del átomo en que se encontraba. Que tarde más o menos tiempo en hacerlo no deja de ser accesorio. Los fenómenos A y B de nuestro esquema inicial serían “aislamiento del neutrón” y “desintegración del neutrón en un tiempo medio de 15 minutos” respectivamente.

El problema de este enfoque es que es difícil precisar cuándo algo es accesorio. Supongamos que aislamos un neutrón y esperamos a que se desintegre. Pero colocamos un detector de neutrones que estará conectado a un ordenador que controlará una cápsula de cianuro dentro de una caja en la que también hay un gato. Si la desintegración se produce antes de 15 minutos, la cápsula se romperá y el gato morirá. En caso contrario, el gato sobrevivirá. La cuestión acerca de si el momento de la desintegración es o no accesorio no parece que en estas condiciones tenga mucho sentido, al menos para el gato. El gato morirá o vivirá por una mera cuestión de suerte, y en cualquiera de los dos casos no podremos señalar la causa de su muerte o supervivencia, pues aunque lo intentáramos dicha causa no tendría la característica de necesidad señalada anteriormente: podría haber pasado de otro modo.

2 comentarios. Haz el tuyo.:

Herodoto dijo...

Me dicen que el principio de causalidad no está definitivamente refutado. Cierto es, la ciencia no trabaja así. pero parece que tal y como están ahora las cosas va a haber que elegir: mecánica cuántica o principio de causalidad. Y es que no es solo el caso del neutrón que he descrito antes, sino algo mucho más general que está íntimamente vinculado a la cuántica.

Está tambien la posibilidad de que existan eso que se llama variables ocultas, que podrían compaginar ambas cosas. Hay dos modelos: locales y globales. Las variables ocultas locales parecen descartadas por el experimento de Aspect. Las variables ocultas no locales no se descartan necesariamente, pero entran en conflicto con la relatividad.

De todos modos aquí ya no soy yo la persona más adecuada para hablar.

Herodoto dijo...

Otra cosa que creo necesario aclarar: Hay diferentes modos de entender la causalidad. En el post anterior yo me refiero a un modo particular (que podría llamar "de las causas suficientes").

En la realidad muy pocos son los fenómenos que se darían por una sola causa suficiente, es decir, una sola causa que sea suficiente para que se dé el fenómeno.

Siguiendo con mi esquema, para que se dé el fenómeno B no bastaría con un fenomeno anterior A, sino una serie de fenómenos (A, A', A'',...). Por ejemplo, la causa de que se encienda la luz no es solo que encienda el interruptor, sino que encienda el interruptor y que la instalación eléctrica funcione correctamente.