Según la mecánica cuántica, ¿los átomos son reales o son construcciones matemáticas?

Aah, filosofía profunda. Los físicos que ya respondieron parcialmente a su pregunta sabiamente evitaron ser absorbidos por el vórtice. Soy mucho más grueso, así que no puedo evitar tratar de completar los bits que dejaron.

Pero primero, aquí hay una imagen de la molécula de pentaceno, hecha con un microscopio de fuerza atómica, que le permite ver hasta el nivel de los átomos individuales. Gracias IBM. (Haga clic en el enlace para ver la descripción de Wikipedia de cómo hemos predicho que “se ve”). ¿Es esta molécula “real”?

Puede responder su pregunta usted mismo, pero solo si primero decide qué quiere decir con “real”. Hay muchos significados posibles, pero según lo veo, se reducen a dos ideas:

1. “Real” se refiere a un estado de naturaleza absoluto y conocible. Puedes “saber realmente” lo que hay ahí afuera;
2. “Real” se refiere a la concordancia entre las expectativas y lo que sucede, como en la frase “Get real”.

La primera opción es problemática, así que comencemos con la segunda. Esto es más o menos de lo que se trata la ciencia. Hacemos un modelo predictivo, nos aseguramos de que tenga sentido (está bien organizado y se ajusta a otras cosas que conocemos), y luego vemos cómo funciona en el mundo “real”. ¿Predice las cosas mejor que el azar?

Puede ver que con la opción (2), nunca podemos estar seguros de que nuestro modelo sea perfecto, y no podemos estar seguros de que algún “contraejemplo” destruya nuestro modelo o nos obligue a refinarlo. Bienvenido al mundo real.

El otro uso de la palabra real es un poco más complicado. La opción (1) ha arruinado la filosofía durante más de dos milenios. Hay algunos científicos (supongo que la mitad de ellos) que afirman ser ‘realistas’: variaciones sobre un tema que funciona de la siguiente manera: “Nunca podemos estar seguros de que nuestro modelo tenga sentido, pero podemos acercarnos asintóticamente a la realidad “. (Algunos son aún más dogmáticos).

En otras palabras, podemos refinar progresivamente nuestros modelos hasta que sean tan similares al estado real, ‘real’ de las cosas que ya no tengamos que preocuparnos, porque cualquier diferencia es intrascendente.

Si miras la historia de la ciencia (y la pseudociencia) está llena de tal pensamiento, que probablemente se remonta a Platón. Hay dos problemas con este enfoque.

El primer problema es que no funciona tan bien. Justo cuando hemos precisado nuestro enfoque, alguien prueba uno de nuestros supuestos y, bang, descubrimos que la base firme sobre la que construimos las cosas no es tan firme en absoluto. El segundo problema es que esta forma de pensar nubla nuestro juicio (vaya al final de esta publicación para ver algunos comentarios de gadfly que irritarán al menos a algunos físicos).

Un hermoso ejemplo del primer problema (muy apreciado por el filósofo de la ciencia Karl Popper) es que la descripción de Newton de cómo funciona el mundo, basada en la geometría griega, es un poco extraña cuando miramos casos extremos. Como señaló Einstein, parece que necesitamos una geometría extraña que rompa el quinto postulado de Euclides.

Las diferencias en su mayoría no son tan grandes, por lo que algunos dirían “Podemos aterrizar un astronauta en la Luna usando Newton, entonces, ¿por qué molestarse?” Pero las cosas se ponen realmente interesantes cuando miramos campos gravitacionales fuertes, por ejemplo.

A veces, lo que creemos que es “real” es aún más problemático. Debido a que las ciencias biológicas son generalmente mucho más complejas que la “física” y, por lo tanto, somos más ignorantes, nuestra percepción inicial (y modelo) y los puntos de vista posteriores son a menudo más divergentes. Mi favorito personal se relaciona con las úlceras estomacales, donde en los últimos años realizamos una cirugía de mutilación en los estómagos de los pacientes porque o el modelo era “El ácido causa úlceras”. Ahora tratamos la infección.

A menudo verá que la Física se describe como “más madura” que las ciencias biológicas, pero esto es un reflejo de la misma idea tonta de que podemos converger en un conocimiento de lo que está “realmente ahí fuera”, alguna forma perfecta.

Ahora examinemos su pregunta “… ¿los átomos son reales o son construcciones matemáticas?”

Si acepta “real” como simple concordancia entre las expectativas y lo que sucede, entonces la respuesta simple es “Sí”. Son ‘reales’ y ‘son’ construcciones matemáticas. Los átomos funcionan. Las imágenes del pentaceno me parecen geniales.

Pero si quieres asegurarte de que la mecánica cuántica (o cualquier otra teoría) “realmente se refiere” a algún estado real, entonces tienes un pequeño problema. Tienes que creer que de alguna manera, mágicamente, “finalmente” acertamos: el realismo convergente. Olvídate de todos los episodios del pasado donde nuestra arrogancia recibió un fuerte golpe en la nariz.

Sospecho que la razón por la cual los físicos no pueden explicar (por ejemplo) toda la ‘materia oscura’ y la ‘energía oscura’ que salpica el universo está relacionada con una falacia tan realista.

La mecánica cuántica y la relatividad son tan buenas para explicar las cosas, y tan hermosas, que no podemos admitir que podemos haber acumulado algo sutil en las matemáticas subyacentes. Lástima que los dos sean incompatibles, en términos de nuestra comprensión actual.

Es posible que hayamos permitido que el “realismo convergente” empañe nuestro juicio.

La matemática que subyace a la física cuántica es, después de todo, un pequeño grano en el culo del cuerpo de las matemáticas.

¿Quizás un buen matemático pueda ayudar?

Mi 2c, Jo.

En física describimos el mundo en términos matemáticos. Por lo tanto, la descripción es una construcción matemática. Podemos describir cómo se comportan los átomos en los experimentos, por lo tanto, hay algo real que describimos con nuestra teoría.

Einstein mostró en su artículo sobre el movimiento browniano que los átomos son entidades mecánicas que se mueven y chocan con “cosas”. Los microscopios de túnel de escaneo muestran las posiciones de los átomos individuales en las superficies.

Uno puede estar bastante seguro de que la mecánica cuántica siempre será la forma preferida de describir átomos, moléculas y sólidos. A pesar de sus complicaciones matemáticas, es inconcebible que encontremos una teoría más simple para describir tales sistemas. La mecánica de Newton es la herramienta preferida para los ingenieros mecánicos en lugar de la mecánica cuántica. Una teoría más profunda que la mecánica cuántica no cambiará la forma en que calculamos las propiedades moleculares.

Sí, las cosas existen, pero la forma de su existencia es muy diferente de cómo aparece. Usemos una silla como ejemplo, ya que bien podría estar sentado en una en este momento. Según la física cuántica, la silla está compuesta de partículas de onda que interactúan con diversas fuerzas. La silla se compone principalmente de núcleos atómicos, electrones y espacio vacío. Por lo tanto, cuando coloca la mano sobre la silla, la mano se mantiene a raya no por la aparente solidez y la naturaleza de la silla que llena el espacio, sino por las fuerzas electromagnéticas, que se vuelven muy fuertes cuando la mano se mueve cerca de ellas. De manera similar, la silla es visible para usted no porque sea sólida o que llene el espacio, sino porque tiene la densidad adecuada para absorber la gran mayoría de los fotones que sus ojos detectan, es decir, el espectro visible.

Los neutrinos pueden (y lo hacen) a menudo atravesar toda la Tierra sin una colisión o interacción. Esto se debe a que los átomos les parecen puntos diminutos, extremadamente alejados, como las estrellas en una galaxia parecen muy alejadas. Las interacciones solo ocurren cuando algo aumenta drásticamente el tamaño funcional de los átomos (o estrellas) en cuestión. En el caso de la silla, esta es la fuerza electromagnética. En el caso de una galaxia, esto probablemente sería la gravedad.

Estamos continuamente modelando la realidad, ya sea utilizando nuestra percepción o mediante construcciones lógicas. Todos los modelos simplifican la realidad, limitan las interpretaciones de la realidad a escalas y condiciones específicas, y nos permiten hacer predicciones dentro de rangos restringidos de aplicabilidad.

En general, hay algo que hemos modelado como átomos. Los modelos se basan en su utilidad para explicar y predecir los fenómenos observados. Sin embargo, lo que realmente existe más allá de los modelos puede no ser una pregunta que responda la ciencia y las matemáticas.

Son completamente reales. Pero no son objetos como pequeños guisantes que insiste nuestra intuición, entrenada por la escala en la que pasamos nuestra vida cotidiana.

Usamos las matemáticas para describir el mundo. El mundo a nuestra escala normal es descrito, con gran precisión, por las matemáticas newtonianas. No consideramos palancas, poleas, balas, etc. como objetos matemáticos porque usamos las matemáticas newtonianas para describirlos.

Los átomos son tan reales como las poleas. Pero necesitan una matemática diferente para describirlos. Matemáticas que no concuerdan con nuestra intuición, perfeccionadas por la vida veinte órdenes de magnitud más grandes. Pero las matemáticas describen, no crea. Y hay muchas matemáticas que describen mundos que no existen, así como las matemáticas que describen el mundo que existe. El último, un subconjunto de todas las matemáticas, lo llamamos física.

Yo diría que nada de lo que los humanos perciben es real en ningún sentido idealista en torno a la palabra real. El concepto de la palabra real se había convertido en un gancho de cielo filosófico y elaborarlo no tiene sentido. El enfoque más pragmático sería utilizar la palabra racional e incidentalmente racional se asocia típicamente con la palabra pragmática.

No creo que el propósito de las matemáticas sea describir lo que es objetivamente real. Su propósito para nosotros es una herramienta para modelar observaciones que hacemos. Y los buenos modelos pueden predecir cosas que aún tenemos que observar. Y los mejores son consistentes bajo el escrutinio del experimento.

Ahora, aquellos que están bien equipados con conocimiento matemático a menudo se ven superados por la belleza absoluta de este. Parece respirar y tener vida propia. Casi algo que descubrimos y no creamos. Y a veces, cuando vemos cuán naturalmente estas construcciones se alinean con la observación, estamos tentados a igualar las dos. Pero esto es una farsa. Hay mucha más teoría matemática por ahí que no tiene un significado físico u observable que lo que se ha aplicado a la física.

El hecho de que podamos modelar algo no hace que el modelo sea la cosa.

El término “real” es realmente difícil de explicar.

Respuesta larga corta, los físicos dependemos solo de evidencias experimentales. Si el experimento dice que los átomos existen, son reales para nosotros. No nos importa lo que otras personas puedan pensar, estamos convencidos de que son reales.

Período.

Con la mecánica cuántica, puede hacer predicciones cuantitativas absolutamente sorprendentes de los resultados de las mediciones. Pero la mecánica cuántica en sí no te dice qué es real y qué no. Para eso necesitarás una de las docenas de interpretaciones filosóficas de la mecánica cuántica. Advertencia: ninguno de ellos se ajusta al sentido común.

Antes de que podamos comenzar a responder esta pregunta, tendríamos que tener una discusión muy larga sobre el significado de “real”. Creo que muchas otras personas estarán dispuestas a participar, pero no veo muchas posibilidades de convergencia en un tiempo finito, así que …