Principi de complementarietat (física)

Archiu:Solvay conference 1927.jpg

V Conferència Solvay de 1927. Niels Bohr es troba situat en la segona fila, el primer per la dreta. Entre els participants destaquen Auguste Piccard, Albert Einstein, Marie Curie, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Louis de Broglie i Max Planck.

El principi de complementarietat és un concepte filosòfic introduït pel físic danés Niels Bohr en referència al principi d'incertitut de Werner Heisenberg, un postulat fonamental per a la mecànica quàntica.

Propòsit i definició

El seu objectiu és explicar alguns fenomens aparentment contradictoris que presenta la mecànica quàntica, com per eixemple la dualitat ona-corpúscul. El principi de complementarietat sosté que dos propietats complementàries no es poden medir simultàneament en total precisió, de manera que quanta més precisió s'obté d'una d'elles, menys s'obté de la complementària. En la seua forma més simple expon que dos propietats o aspectes complementaris no es poden percebre simultàneament, de manera que un "objecte quàntic" es pot presentar solament en un dels dos aspectes al mateix temps, per eixemple o com ona o com corpúscul. De forma més escueta: si preparem un objecte de manera tal que la propietat A pren un valor precís, llavors sempre existix una atra propietat B el valor de la qual està completament indeterminat. En eixe cas, afirmem que les propietats A i B són “complementàries”. Pero eixos valors no es poden determinar simultàneament.

Història

Niels Bohr va concebre aparentment el principi de complementarietat durant unes vacacions d'esquí en Noruega en febrer i març de 1927, durant les quals va rebre una carta de Werner Heisenberg respecte al recent descobert (i encara no publicat) principi d'incertitut. En retornar de les seues vacacions i quan ya Heisenberg havia presentat el seu treball sobre tal principi d'incertitut per a la seua publicació, va convéncer a Heisenberg de que este principi d'incertitut era una manifestació del concepte més profunt de la complementarietat.

Bohr va presentar públicament el principi de complementarietat en una conferència que va pronunciar el 16 de setembre de 1927 en el Congrés Internacional de Física celebrat en Com, Itàlia; varen assistir la majoria dels físics de l'época, en les notables excepcions d'Einstein, Schrödinger i Dirac. No obstant, estos tres varen estar presents un més més vesprada, quan Bohr va presentar de nou el principi en la V Conferència Solvay (Brusseles, Bèlgica, octubre de 1927). Les conferències varen ser publicades en les actes d'estes dos reunions i es va tornar a publicar ademés a l'any següent en alemà i en anglés. Un artícul escrit per Bohr en 1949 titulat "Les discussions en Einstein sobre Problemes epistemològics en Física Atòmica"  és considerat per molts com una descripció definitiva de la noció de complementarietat.

En el discurs d'acceptació de la seua Premi Nobel en 1954, Max Born va recordar lo profundament dividits que estaven els famosos teòrics quàntics en dos camps:

"...Quan dic que els físics acceptaven la manera de pensar que en aquella época havien desenrollat, no estic sent del tot correcte. Entre els investigadors que varen contribuir de manera destacada a la construcció de la mecànica quàntica va haver algunes excepcions notabilísimas. El mateix Max Planck va estar entre els escèptics fins a la seua mort i Albert Einstein, Louis-Victor de Broglie i Erwin Schrödinger no varen deixar de subrallar els aspectes insatisfactoris de la teoria...".

Este dramàtic desacort girava entorn a algunes de les qüestions més fonamentals de tota ciència. ¿Existixen els objectes atòmics en independència de les observacions humanes? I, si és aixina, ¿és possible que l'home comprenga de forma correcta el seu comportament?

Es pot dir que, en general, les escoles de Copenhague i Gotinga (Bohr, Heisenberg, Born...) varen respondre de manera més o menys pessimiste a estes qüestions. I en contra d'esta idea estaven Einstein, Planck, Schrödinger, Ehrenfest i de Broglie. En relació en açò Heisenberg va escriure:

"...Tots els que s'oponen a l'interpretació de Copenhague estan d'acort en un punt. Segons la seua opinió seria desijable tornar al concepte de realitat de la física clàssica o, per utilisar un terme més filosòfic, a l'ontologia del materialisme. Preferirien tornar a l'idea d'un món real objectiu i que les parts més chicotetes existiren objectivament de la mateixa manera que existien els arbres i les pedres, en independència de si són observables o no."

Dos varen ser els desencadenants físics del desenroll de l'interpretació de Copenhague-Gotinga: la dualitat ona-corpúscul i el principi d'incertitut. L'any més important de culminació d'esta interpretació va ser 1927.

A partir de 1911 l'industrial químic belga Ernest Solvay va patrocinar conferències internacionals de física a les quals invitava a l'elenc científic de cada país rellevant. Estes trobades varen ser una ocasió que Bohr i Einstein varen aprofitar especialment per a debatre les dificultats conceptuals de la nova teoria i per a discutir sobre els cridats experiments mentals. Abdós varen presentar un experiment conceptual per a refutar la teoria de l'atre. En la Conferència Solvay de 1927 l'experiment per debatre prenia com a fonament el realisat per Thomas Young en 1801, el famós experiment de la doble rendija a on, a partir d'unes franges d'interferència, es posava en evidència la naturalea ondulatoria de la llum. Este fet no concordava en la mateixa hipòtesis quàntica que sobre la llum havia fet Einstein segons la qual esta es comportava de forma corpuscular en minúsculs paquets cridats fotons.

Esta dualitat de la naturalea (la llum actuant com a ona si travessava rendijas o com a corpúscul si incidia sobre una placa fotogràfica) no satisfea a Einstein, puix semblava desacreditar la realitat objectiva. No obstant, l'Escola de Copenhague-Gotinga ho explicava gràcies al principi de complementarietat introduït poc abans, en setembre d'eixe mateix any, pel mateix Bohr. En síntesis, este principi ve a afirmar que, si es vol captar la naturalea com un tot, cal expressar-se utilisant modos de descripció contradictoris. Bohr afirmava que les teories ondulatoria i corpuscular eren eixemples de modos complementaris de descripció, vàlits cada u per sí mateixos, encara que (en térmens de la física de Newton) incompatibles entre sí. Este principi seria, puix, una forma d'esquivar la dualitat ona-corpúscul i també, com vorem a continuació, l'atra gran aportació que va enunciar el seu discípul Heisenberg en eixe mateix any.

Werner Heisenberg propugnava un nou principi de comportament de la naturalea en el món microfísico: l'interacció observador-observat, no prevista en el paradigma clàssic. Per eixemple, si volem observar un electró, d'alguna manera tenim que allumenar en fotons de llum i açò ho pertorbarà, és dir, ya no estarà en l'estat que volíem observar i medir. Existix un llímit fonamental en la precisió en la que podem determinar simultàneament certs parells de variables. La naturalea és aixina: quant més nos acostem a ella, més difuminada se nos mostra.

No obstant, segons el principi de complementarietat, poden aparéixer dos formes de descripció d'un sistema determinat com mútuament exclusius, encara que abdós siguen necessaris per a la completa comprensió del sistema.

Aixina, per un costat, podem voler destacar la causalitat tenint en conte que hi ha una evolució ben determinada de l'estat del sistema, definit pel seu funció d'ona. No obstant, esta descripció només té significat si deixem de fer observacions de les variables d'espai i temps, ya que el procés d'efectuar estes observacions pertorbaria l'estat d'una manera imprevisible i destruiria la causalitat.

Per una atra part, podríem preferir destacar la descripció espai-temporal i sacrificar la causalitat. Bohr va sostindre que cada descripció oferix una visió parcial de la "veritat" total respecte al sistema pres en el seu conjunt.

Einstein va intentar refutar el principi d'incertitut per mig d'estos experiments mentals en que ell era el millor mestre. El seu propòsit era provar que l'interacció entre l'aparat de mida i l'objecte físic, l'electró, per eixemple, no podia ser tan misteriosa i incognoscible com pretenien Bohr, Born i Heisenberg, o que la discontinuïtat no devia jugar un paper tan gran. Un d'estos experiments mentals, per eixemple, consistia en una paret en un forat chicotet pel que passava un electró que anava a chocar en una pantalla semiesfèrica, produint un centelleig en un dels seus punts. Einstein argumentava que, immediatament abans de l'impacte, la funció d'ona tenia un valor no nul en tota la pantalla, que s'hi hauria anular instantàneament en el moment de l'impacte (puix l'electró no podia aplegar ya a un atre punt), lo que contradia la teoria de la relativitat, puix ya hi hauria una acció que es propagaria més corrents que la llum. Bohr va argumentar al sendemà que el principi d'incertitut obligava a tindre en conte la reculada de la paret en passar l'electró, lo que obligava a admetre una incertitut en el moment de pas, invalidant l'argument d'Einstein. Un a un, Bohr anava refutando els arguments d'Einstein a costa de vàries nits de poc somi i molt treball. Per demés, John Wheeler va opinar que el "principi de complementarietat de Bohr és el concepte científic més revolucionari d'este sigle i el cor de la seua busca de cinquanta anys del ple significat de l'idea quàntica".

Sembla llògic puix que, quan en 1947 la corona danesa va concedir a Bohr l'ingrés com a cavaller en l'aristocràtica Orde de l'Elefant, l'escut elegit duguera la següent inscripció: contrària sunt complementa.