Són reals les partícules elementals?

Aquest blog serà una mica difícil de pair, però val la pena que el llegiu, encara que no entengueu el 100%, perquè es parla d’un problema filosòfic de fons.

Ens imaginem les partícules elementals com petites boles de billar, però la mecànica quàntica ens desfà aquesta imatge clàssica. Les partícules no tenen una posició ben definida. Si un observador vol mesurar la posició d’una partícula del nostre cos, per exemple, existeix una petita possibilitat de que la detecti allunyada de ell. Endemés, la posició de les partícules depèn de l’observador. Imagineu que teniu una partícula localitzada a la vostra casa. Per un observador que passi en cotxe la partícula pot estar disseminada per tot l’univers.

O intenteu comptar les partícules. Suposem que voleu comptar les partícules que hi ha a la vostra casa i les aneu comptant d’habitació en habitació i feu la suma. Segons la teoria quàntica de camps aquesta suma no serà el total, ja que el total és una propietat de la casa sencera. Un astronauta en el buit pot pensar que no hi ha partícules, però un astronauta en un coet que acceleri es veurà immers en un bany tèrmic de innombrables partícules. Per tant, si el nombre de partícules depèn de l’observador, les partícules no poden ser una cosa fonamental.  Endemés, les partícules poden perdre la seva individualitat. Quan dues partícules estan entrellaçades (“entangled” en anglés) les partícules comparteixen no solament propietats innates com la massa i la carga sinó també el conjunt de posicions on es poden trobar, no les poden distingir una de l’altra.

Algú es preguntarà, aleshores què és el que detectem en els acceleradors de partícules, per exemple? El que detectem són inferències: els sensors registren un gran nombre d’excitacions del seu material sensible.

Si les partícules no són fonamentals, ho poden ser els camps?.  Alguns físics creuen que els camps són fonamentals i les partícules, quan les detectem,  no són més que manifestacions localitzades dels camps. Tots tenim una idea del que és un camp clàssic, ja sigui un camp escalar com la temperatura (que és un nombre en cada punt de l’espai) o un camp vectorial com un camp de forces gravitatòries o elèctriques, on en cada punt de l’espai hi ha un vector. Però els camps quàntics són més abstractes,  ja que assignen a cada punt operadors que representen els tipus de mesures que es poden fer més que el resultat que obtindríem. Algunes construccions matemàtiques de la teoria sí que representen valors físics, però no poden ser assignats a punts sinó a regions més difuminades. La versió quàntica d’un mapa del temps que mostra la temperatura en cada punt és la d’un operador com podria ser la funció arrel quadrada. Per a obtenir la “temperatura” caldria aplicar l’operador al vector d’estat que és una entitat matemàtica holística, no localitzada, que representa la configuració del sistema i que abasta tot l’espai.  Com sabeu la mecànica quàntica només ens dóna probabilitats. No sabem, per exemple, quan un determinat àtom d’urani es desintegrarà, però sí sabem en quant temps una massa d’urani quedarà reduïda a la meitat.  Però, per obtenir les probabilitats, els camps s’han d’aplicar al vector d’estat.

En resum, ni el model de partícules ni el model de camps donen una ontologia satisfactòria del món físic. Alguns físics, que podem anomenar instrumentalistes, creuen que el paper de la física no es mostrar-nos la realitat. Per ells les teories no són més que instruments per a fer prediccions i la mecànica quàntica en aquest sentit és la reina de les teories, la més precisa i la que ens permet calcular els resultats de les col·lisions en els acceleradors, la síntesi de la matèria en el Big Bang i en els estels i ens permet gaudir de tota la tecnologia moderna, ja que de ella depèn el 30% del PIB mundial.  Però, no és un dels objectius de la ciència entendre el món?

Combinant física i filosofia pot ser en podem treure l’entrellat de tot això. Hi ha dues vies de sortida que s’han proposat en els darrers anys. Una és dir que el fonamental són les relacions. El fonamental són les estructures o xarxes de relacions. Això ja passa en la vida ordinària. Si vaig en metro, el que m’interessa és conèixer la xarxa, el lloc on haig de canviar de línia i no les característiques de les estacions, si les han renovat o són antigues, per exemple. I el mateix si parlem de les xarxes neuronals del cervell o internet. Pot ser trobareu una mica estrany que puguin haver-hi relacions sense objectes, és com tenir matrimonis sense cònjuges.  Per això alguns físics i filòsofs adopten una solució de compromís. No diuen que els objectes no existeixen, sinó que no són fonamentals, no tenen propietats intrínseques sinó les que deriven de les seves relacions amb altres objectes. Ens trobem davant d’una idea que encara cal desenvolupar més, ja que la novetat radical és partir de les relacions i que els objectes emergeixin d’aquestes.

Una segona solució és pensar que els objectes no són altra cosa que un conjunt de propietats. La tradició ens diu que les propietats són conceptes “universals” i abstractes, que en tot cas només existirien en un món platònic, que són posseïdes per objectes particulars. La propietat d’una pilota de ser esfèrica i de color groc, per exemple. Pot ser per entendre aquesta posició, que posa com a fonamental les propietats i defineix els objectes per les seves propietats, hauríem de tornar a la infantesa i com vam adquirir la noció de pilota. Era una cosa rodona, pot ser de color groc si era una pilota de tennis, que la podien llençar al nostre pare, que rodava per terra i era elàstica.  Només més tard vam conceptualitzar totes aquestes propietats en una pilota de tennis. En aquest sentit, l’electró no seria més que un conjunt de propietats essencials (massa, carga i espín, per exemple).

Les paradoxes del buit quàntic on el promig de partícules és zero, però les partícules es creen i s’aniquilen constantment desapareixen en aquesta visió.  El buit, encara que no tingui partícules, té propietats i les partícules apareixen quan aquestes propietats es combinen d’una certa manera.

Com veieu, arribar al fons de la realitat requereix el treball de físics i filòsofs (molt entesos en física, per descomptat). L’altra alternativa és quedar-nos amb una descripció molt abstracta i matemàtica de la realitat, però que pot ser no ens guiï intuïtivament.