El gran error d’Einstein: “Déu no juga als daus”

GinebraEl menjador de l’Hotel Métropole de Brussel·les desprenia l’aroma habitual de cafè dels matins. Les ments més brillants de principis del segle XX s’aplegaven al voltant de les taules, endinsats en converses intenses i profundes, comentant i rebatent les presentacions que s’havien impartit el dia anterior durant la darrera sessió de la cinquena conferència Solvay. Aquesta sèrie de trobades entre científics eminents va ser impulsada pel químic belga Ernest Solvay, i estaven dedicades, des de l'any 1911, a aprofundir en els problemes més complexos de la física i la química.

Entre els assistents hi havia un físic que des de feia més d’una dècada s’havia guanyat l’etiqueta de geni revolucionari. Albert Einstein ja havia conquerit l’eternitat després de provocar un canvi de paradigma en la concepció de l’Univers en haver establert les bases de la teoria de la relativitat restringida i de la general. Per al físic alemany, aquella conferència del 1927 representava una oportunitat d’or per mostrar-se a contracorrent de la nova fornada de joves físics que s’havien deixat seduir per una nova teoria que descrivia el món subatòmic amb un nivell de precisió sense precedents: la física quàntica.

Tot i ser-ne un dels pares fundadors, per a Einstein la mecànica quàntica era una teoria incompleta. No creia que aquella fos la descripció última de la natura. Alguna cosa se’ls estava escapant a tots aquells físics. I Einstein era allà per fer-los-hi saber.

Un dels postulats principals de la quàntica estableix que abans d’observar-la la posició d’una partícula no està definida, sinó que es troba en més d’un lloc seguint una sèrie de probabilitats. "La mecànica quàntica ortodoxa diu que no hi ha una explicació més profunda de per què quan fem una mesura en un cas surt un resultat i en un altre cas en surt un altre", comenta Enric Pérez, professor de física de la Universitat de Barcelona i expert en història de la física. Una gran part de la comunitat científica abraçava aquesta descripció probabilística de la natura, però per a Einstein aquesta visió era una aberració. Amb la seva famosa cita "Déu no juga als daus", va deixar clara la seva posició.

Aquesta interpretació incomodava tant el físic alemany que anava d’una banda a l’altra de l’Hotel Métropole intentant convèncer la resta dels assistents que aquella nova teoria era incompleta i que la natura amagava alguna cosa més profunda. Werner Heisenberg, un altre dels pares fundadors de la mecànica quàntica, se'l treia de sobre quan Einstein se li apropava amb els seus arguments: "Ach, was, das stimmt schon, das stimmt schon" ("Com diu? Ah, sí, és veritat, és veritat...").

Experiments mentals

Durant tots els dies que va durar la conferència, Einstein va idear diversos experiments mentals que intentaven posar en dubte alguns dels aspectes de la teoria quàntica. Aquests reptes anaven dirigits principalment al físic danès Niels Bohr, un altre els ideadors principals de la nova teoria que albirava un nou statu quo on la incertesa dominava el món subatòmic.

"Einstein era més realista, mentre que Bohr es va convertir en el defensor d'una interpretació ortodoxa de la quàntica, en la qual acollia la incertesa, la falta de determinisme i la influència de l'observador", explica Pérez, que afegeix que "el preu a pagar és que sovint no es poden construir imatges acurades del que passa, no pots entendre els processos, sinó que només saps molt bé d'on parteixes i on arribaràs, però no el que passa entremig".

En una de les jornades, Einstein va presentar un experiment mental en què posava en qüestió el mateix principi d’indeterminació de Heisenberg, que no permetia conèixer de forma simultània i amb total certesa dues variables com poden ser la posició i la velocitat d’una partícula. La presentació del físic alemany, ben elaborada i argumentada, va impactar directament a la línia de flotació de Bohr, que no es podia creure la possibilitat que Einstein hagués trobat, finalment, una inconsistència a la seva teoria.

"Einstein va anar buscant vies diferents per trobar contradiccions internes als arguments de Bohr i Heisenberg”, comenta Pérez. Aquella nit, Bohr no aniria a dormir fins a trobar un contraargument a aquell experiment mental. I l’endemà li va tornar la pilota encara amb més força, ja que va rebatre el físic alemany utilitzant la teoria de la relativitat que el mateix Einstein havia elaborat anys abans. Després d’aquell intercanvi, Einstein es va haver de retirar acceptant que el principi d’incertesa era una característica inherent a la natura. “Bohr i Heisenberg se'n van sortir prou bé, en aquells debats", valora Pérez.

Einstein no es rendeix

Einstein estava ferit però no derrotat. Havia perdut aquella batalla, però la guerra seria llarga i intensa. El físic alemany es va centrar llavors en un altre dels aspectes més controvertits de la quàntica: l’entrellaçament entre partícules, en el qual dues partícules separades per una gran distància es poden afectar mútuament. Einstein creia que aquell comportament no només desafiava la lògica, sinó que atemptava contra el principi que ell mateix havia construït vint anys enrere segons el qual res pot viatjar més de pressa que la velocitat de la llum. D’aquí que, amb un cert grau de sarcasme, va anomenar aquesta propietat "acció fantasmagòrica a distància".

Seguint aquesta línia, en col·laboració amb dos físics de la Universitat de Princeton, als EUA, Einstein va elaborar la coneguda com a paradoxa EPR (de les inicials d’Einstein, Podolsky i Rosen, autors del treball). En l’article publicat, els científics exposaven les raons per les quals creien que l’entrellaçament quàntic no era més que una il·lusió dels físics i que, en realitat, existia amagat algun tipus d’informació que els físics estaven passant per alt i que donaria sentit a tot plegat. A aquesta informació amagada la van anomenar "variables ocultes". "Serien aquelles variables que no coneixem i que determinarien exactament el resultat de la mesura en cada cas", explica Pérez. Aquesta va ser, probablement, la darrera contribució important d’Einstein a la física quàntica... malgrat estar equivocat.

Anys després de la seva mort, John Bell, un físic del CERN, el Laboratori Europeu de Física de Partícules, a Ginebra, va elaborar unes relacions matemàtiques que haurien de permetre verificar o descartar finalment la teoria de variables ocultes. "Bell va trobar unes relacions teòriques que permetien distingir al laboratori si l’estat dels objectes està determinat abans de la mesura o no", explica Pérez. No obstant això, ningú no sabia si aquelles relacions matemàtiques podrien ser implementades de forma experimental. "No cal estar posicionat respecte a la mecànica quàntica per veure en l'article de Bell un resultat interessant, perquè permetia distingir experimentalment entre dues teories", comenta aquest professor de física de la UB.

Van haver de passar diverses dècades fins que els científics van ser capaços de demostrar, mitjançant els resultats de Bell i gràcies a complexos mecanismes experimentals, que les variables ocultes, definitivament, no existien. Les implicacions d’aquesta descoberta van ser reconegudes amb el premi Nobel de l’any 2022 i representen el punt de partida del desenvolupament de les tecnologies quàntiques. “Ja sembla bastant acceptat que a la mecànica quàntica existeix la no localitat”, destaca Pérez.

La mecànica quàntica és així de capritxosa i només queda abraçar-la. Com va resumir el físic Stephen Hawking fent al·lusió a la cita del mateix Einstein: "Déu juga als daus i els tira on ningú els pot veure".

Una teoria sòlida però incomprensible

La interpretació de la mecànica quàntica és, cent anys després, un tema de debat intens entre físics i filòsofs. "La mecànica quàntica és una teoria molt sofisticada, molt ben feta i molt ben tramada, a la qual se li han intentat trobar forats i inconsistències –explica Pérez, que comenta que en l’àmbit educatiu el vessant interpretatiu de la mecànica quàntica queda en un segon pla–. Hi ha professors de mecànica quàntica que davant de preguntes de tipus interpretatiu prefereixen no contestar".

Per a Pérez, aquest debat ens hauria de fer replantejar què significa fer un experiment o observar la natura, d’on es pot aprendre d’altres branques de la ciència que van més enllà de la física. "Són problemes que s'han plantejat prèviament en altres ciències de tipus humanista. Per exemple, en antropologia fa temps que es plantejaven quin efecte té l'observador en el que està observant".

La sèrie de disputes conceptuals entre Einstein i Bohr van donar lloc a un dels debats més intensos del segle XX sobre els fonaments de la natura. Aquestes converses i els posteriors desenvolupaments experimentals i teòrics van transcendir les fronteres de la física per endinsar-se en els aspectes més profunds de la filosofia de la natura.