domingo, 1 de agosto de 2010

Einstein y...Niels Henrik David Bohr


Niels Bohr fue uno de los fundadores de la física del siglo XX, aunque sea recordado mayormente por haber desarrollado la conocida como interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica. Intelectualmente a la par, Einstein y Bohr mantuvieron una estrecha amistad, llena de conversaciones animadas y debates científicos. Los dos representan los dos pilares de la física moderna, la relatividad y la mecánica cuántica.

Niels Bohr comenzó a labrarse una reputación internacional cuando, en 1913, publicó la primera descripción del aspecto que tendría un átomo de hidrógeno: incluyendo un núcleo y el recientemente descubierto electrón. El modelo del átomo de Bohr se basaba en el modelo estrictamente clásico de Ernest Rutherford al que el físico danés añadió la nueva idea de que la energía no era continua, sino que venía en paquetes llamados cuantos. Este apaño de mezclar una vieja teoría con una nueva terminó no siendo la solución perfecta, pero fue el primer paso en el camino hacia la comprensión de la física atómica y representó el comienzo de un maridaje de Bohr con la física atómica que duraría toda su vida. Einstein se interesó inmediatamente por este trabajo. Solamente era seis años mayor que Bohr, y también estaba comenzando a hacerse un nombre; los dos eran colegas naturales, y cada uno siguió de cerca el trabajo del otro.

A lo largo de la siguiente década tanto Einstein como Bohr crecieron en fama y en estatura intelectual. Einstein se hizo mundialmente famoso cuando su teoría general de la relatividad fue comprobada experimentalmente en 1919, mientras que su trabajo le había proporcionado una cátedra a Bohr en la Universidad de Copenhague en1916. En 1920 comenzaba a funcionar un centro creado para él por la Universidad, el Instituto de Física Teórica (actualmente Instituto Niels Bohr; se creó con fondos en su mayoría provenientes de la empresa de cervezas Carlsberg, la misma que llevaba financiando los viajes de estudios de Bohr en los últimos años; desde 1931 hasta su muerte Bohr viviría como huésped en un palacete que fue propiedad del fundador de la empresa).

El primer encuentro entre Einstein y Bohr tuvo lugar en 1920 en Berlín. Como si se conociesen de toda la vida, hablaron de relatividad y física atómica, acerca de la creciente preocupación de Einstein de que la física cuántica estaba abandonando las leyes de la causalidad, acerca de si la luz era una onda o una partícula, acerca, en definitiva, de todo lo que estaba ocurriendo en el mundo científico. Poco después de esta reunión ambos escribieron cartas en las que expresaban la experiencia tan formidable que había sido. Einstein a Bohr: “No a menudo en la vida un ser humano me ha causado tanta alegría por su mera presencia como tú has hecho”. Bohr a Einstein: “Conocerte y hablar contigo ha sido una de las mayores experiencias que nunca haya tenido”.

En 1924, Bohr propuso una teoría junto a Hendrik Anton Kramers y John Clarke Slater que capturó brevemente la imaginación de sus contemporáneos como una posible explicación a cómo interactúan la luz y la materia. La teoría BKS, como se la conoce, resultó ser incorrecta, pero es digna de mención por dos motivos. El primero es que rechazaba la existencia de partículas de luz, insistiendo en que la luz era una onda y sólo una onda. En esa época, la mayor parte de la comunidad de físicos estaba de acuerdo en que la luz estaba constituida por cuantos de energía, tal y como Einstein había predicho en 1905 (efecto fotoeléctrico). Bohr sería uno de los últimos en apoyar la idea de que la luz era simultáneamente una onda y un corpúsculo (Einstein fue el primero) y es interesante hacer notar durante cuánto tiempo rechazó la teoría corpuscular de la luz. Es llamativo que, de igual forma que Bohr fue uno de los últimos en aceptar las partículas de luz, una vez que estuvo convencido lo hizo plenamente y sin reservas: apoyó, como converso que era, más fervientemente que nadie el concepto aparentemente absurdo de que la luz era tanto una onda como un corpúsculo, dependiendo de cómo la midieses. Este tipo de cambio de dogma intelectual es muy infrecuente, muchos científicos acabaron su carrera investigadora por no poder aceptar este tipo de cambios; Einstein sería uno de ellos. Einstein escribiría de Bohr treinta años después: “Expone sus opiniones como alguien que está siempre buscando a tientas y nunca como alguien que se cree en posesión de la verdad definitiva”. La grandeza del genio de Bohr estuvo en su increíble capacidad para mantener una mente abierta.

El segundo punto de interés de la teoría BKS es que fue la primera vez en la que Einstein y Bohr estuvieron claramente en campos opuestos. La teoría BKS abandonaba la causalidad y eso era algo que Einstein no estaba dispuesto a aceptar, lo que puso a muchos científicos frente a un dilema. Muchos de ellos respetaban tanto la inteligencia de Einstein y su liderazgo que les resultaba difícil apoyar una teoría que él rechazaba. En un mundo ideal, estos conflictos personalistas no deberían importar a la hora de determinar la corrección objetiva de una teoría, pero incluso los científicos son humanos. El hecho cierto es que tener a dos de los más grandes científicos del momento enfrentados dejó a muchos de sus colegas desubicados. Muchos se negaban a comentar qué científico pensaban que tenía razón, y los que lo hacían estaban muy incómodos con la situación. Cuando se vio forzado a tomar partido, Paul Ehrenfest, amigo íntimo de Einstein, lloró (literalmente) al declarar que pensaba que el punto de vista de Bohr era el correcto.

Pero pronto todo el mundo tomó partido. La quinta conferencia Solvay, celebrada en octubre de 1927, ha pasado a la historia como uno de los diálogos intelectualmente más transcendentes de la historia contemporánea. Todo el mundo, incluido Einstein, veía la nueva mecánica cuántica como una herramienta matemática muy potente a la hora de predecir cómo funcionaban tanto átomos como partículas subatómicas. Pero había desacuerdos sobre las implicaciones de esa herramienta matemática. Algunos, liderados por Bohr y Werner Heisenberg, creían que la mecánica cuántica era la última palabra. Si las matemáticas decían que el futuro de átomo no era completamente preciso, entonces, simplemente, no lo era. En el otro lado estaban otros cuantos, liderados por Einstein y Erwin Schrödinger, que afirmaban que la mecánica cuántica era una maravillosa herramienta estadística, pero que en la realidad los átomos sí se comportaban con absoluta precisión y algún día, de alguna manera, los científicos desarrollarían teorías completamente nuevas que darían formalismo a esta idea.

Las discusiones ocuparon a los científicos día y noche. Uno de los participantes, Otto Stern, ofreció una narración vívida de la conferencia, describiendo como cada mañana Einstein llegaba al desayuno con una nueva contraargumentación y cada tarde aparecía Bohr con una nueva refutación. Estas discusiones han sido elevadas a la categoría de leyenda, y se las conoce como los debates Bohr-Einstein. De hecho, incluso los participantes parecían estar sobrecogidos ante lo que estaba ocurriendo en esta conferencia. En 1949 Bohr escribió un ensayo, “Discusión con Einstein sobre los problemas epistemológicos en la física atómica”, para el libro “Albert Einstein, filósofo-científico”, en el que atribuye el mérito a los ingeniosos experimentos mentales propuestos por Einstein de haber sido el catalizador que le permitió llegar a comprender lo que ocurre en el mundo atómico. Si bien estos debates entre Einstein y Bohr se suelen describir como beligerantes, Bohr mismo los recordaría como bastante agradables. En el ensayo que mencionábamos, Bohr se refiere a los nuevos experimentos mentales de Einstein como “graciosos” y, Einstein en plan de burla preguntaba si “las autoridades providentes recurrían a las tiradas de dados”. En el transcurso de la conferencia las cosas se volvieron en contra de Einstein completamente. Los que antes de la conferencia habían tenido dudas, al final de la misma aceptaban la versión de Bohr de la mecánica cuántica. Esta versión llegó a ser conocida como la interpretación de Copenhague (tanto Bohr como Heisenberg eran profesores de esa universidad en el momento de celebrase la conferencia).

Einstein, sin embargo, nunca aceptó la interpretación de Copenhague, y los debates entre Einstein y Bohr continuaron durante décadas. En la sexta conferencia Solvay, celebrada en Bruselas en 1930 (y a la que corresponde la imagen, tomada por Ehrenfest), Einstein presentó un nuevo experimento mental: si una caja llena de radiación fuese dispuesta de tal manera que estuviese sobre una balanza, y que un reloj controlase que un fotón y sólo un fotón escapase de la caja en un momento concreto, se podría medir perfectamente el cambio de peso de la caja. Por tanto, y de forma simultánea, se podría medir el tiempo y la cantidad de energía de ese fotón, en abierta contradicción con el principio de incertidumbre de Heisenberg, que afirmaba que esas dos magnitudes no podían conocerse con precisión a la vez. Bohr estuvo perplejo durante unas doce horas, llegando a decir “sería el fin de la física si Einstein tuviese razón”. Pero a la mañana siguiente Bohr apareció con una refutación (además una que escoció a Einstein): teniendo en cuenta la teoría de la relatividad, al retroceder la caja debido a la emisión del fotón, el tiempo mismo del marco de referencia de la caja se vería afectado. El tiempo, después de todo, no podía medirse de forma precisa. Los dos hombres continuaron la discusión pero esa fue la última conferencia Solvay a la que asistiría Einstein, ya que en 1933 abandonaría Europa para nunca más volver.

Volverían a encontrarse en los Estados Unidos cuando Bohr visitó Princeton. Y seguían con la misma dinámica. Bohr también refutó uno de los más famosos experimentos mentales de Einstein, el argumento Einstein-Podolsky-Rosen. Bohr nunca convenció a Einstein, como no lo consiguió ningún otro físico, de que aceptara la interpretación de Copenhague.

A pesar de la Resistencia de Einstein a aceptar la interpretación de Copenhague, él consideraba que el desarrollo de la mecánica cuántica había sido una enorme logro, uno que debería incorporarse a la “teoría verdadera”, sea esta la que fuese, que tendría que desarrollarse dentro de no demasiado tiempo. Einstein también consideraba asombrosa la aportación de Bohr a la mecánica cuántica. En el ensayo que escribió en 1949 para “Albert Einstein, filósofo-científico”, Einstein afirmaría: “El que esta base tan insegura y contradictoria fuese suficiente para permitir a un hombre, con el instinto y tacto únicos de Bohr, descubrir las leyes principales de las líneas espectrales y de las capas de los electrones de los átomos, junto con su importancia para la química, me parece como un milagro; y me sigue pareciendo un milagro incluso hoy”.

A pesar de una vida de disputas acerca de la mecánica cuántica, la amistad entre estos hombre se mantuvo sólida y sincera, ayudada por una tremenda admiración de la inteligencia genial del otro.

4 comentarios:

Ese Punto Azul Pálido dijo...

Muy buen artículo, César. Más que bueno, impresionante. Increíbles mentes las de Bohr y Einstein, y una relación de lo más inspiradora.

Gracias

Jose Antonio Quirós Serna dijo...

Excelente.

Yo siempre había leído o incluso visto vídeos sobre el tema de los debates entre ellos, pero creía, o por lo menos así lo daba a entender el texto, que ambos discutían como auténticos enemigos. Desconocía su amistad.

Un tema muy interesante, sin duda, y también un gran artículo.

Jose dijo...

Otro maravilloso artículo. Bohr es un personaje fascinante que merecería una serie propia. La esperamos con impaciencia ;-)

Javier Robledano dijo...

Buenísimo artículo, César, algo que ya es habitual en este excelente blog.