El naixement de la teoria que va canviar el món

Tot necessita una història. És com els humans entenem i expliquem el món. I les millors històries són sempre les dels orígens. Primer no hi ha res i després hi ha alguna cosa. Passa amb els superherois, amb els grups de música i, sí, també amb les teories científiques. El problema és que rastrejar l’origen exacte d’una teoria per identificar-lo en forma de punt a l’espai-temps és una activitat que conté una bona dosi d’innocència i un altra d’arbitrarietat. És aquí on entra en joc el poder de les històries. La qualitat d’una història és l’àrbitre que pot decidir, sense cap tipus d’innocència, l’instant en què neix una teoria.

En el cas de la física quàntica, per exemple, hi ha el moment de 1900 en què Max Planck estudia la radiació electromagnètica que emeten els cossos quan s’escalfen i proposa que l’energia que intercanvien amb l’exterior només pot adoptar una sèrie de valors concrets; és a dir, està quantitzada. O el moment de 1905 en què Albert Einstein explica per què en alguns materials, quan s’il·luminen amb llum d’un color determinat, s’hi produeix un corrent elèctric, cosa que només es pot entendre si s’assumeix que la llum està formada per paquets o partícules d’energia anomenats fotons.

Si la Unesco ha decidit que el 2025 és l’Any Internacional de la Ciència i la Tecnologia Quàntiques per celebrar, textualment, "els cent anys des del desenvolupament inicial de la mecànica quàntica", és perquè al 1925 hi ha una història millor que la del 1900 o la del 1905. És aquesta. Agafeu una beguda ben freda i poseu-vos còmodes.

El visitant de Helgoland

Una nit tempestuosa de la primavera de 1925 un home de vint-i-dos anys amb la cara deformada va trucar a la porta d’una de les poques cases de Helgoland, un conjunt de dos illots pelats sotmesos als embats del Mar del Nord a seixanta quilòmetres de la costa alemanya. Quan va obrir i va veure aquell rostre envermellit i tumefacte, la mestressa que li havia llogat l’habitació el va prendre per un borratxo o un busca-raons a qui algun mariner acabava d’apallissar. En realitat, però, aquell home era un professor de la Universitat de Göttingen amb un atac de rinitis al·lèrgica que li havia inflat la cara. S’havia traslladat a l’illa per passar-hi uns dies i veure si l’absència de plantes que s’aixequessin més d’un pam de terra l’ajudava a recuperar-se. Després de l’ensurt inicial, quan va veure que no tentinejava i parlava amb correcció i elegància, la mestressa va desistir del primer impuls de trucar a la policia i el va deixar passar.

A Helgoland, sense que cap microscòpica partícula de pol·len l’agredís, el visitant es va dedicar a nedar entre les dunes que unien els dos illots, a passejar pels penya-segats rogencs de la cara nord de l’illa mentre llegia el Divan occidental-oriental de Goethe i a treballar en un problema que l'amoïnava des de feia mesos.

L’enigma microscòpic

Ja feia anys que es duien a terme experiments per dilucidar l’estructura interna de la matèria. El 1897 Joseph Thomson havia descobert l’electró i el 1911 Ernest Rutherford havia conclòs que els àtoms estan formats per una gran concentració de massa amb càrrega positiva al centre, envoltada de partícules negatives. Ara bé, les equacions que havien descrit amb tanta precisió les òrbites dels planetes i els moviments de molles, politges i pilotes, les equacions que tan bé havien explicat els intercanvis de calor i les màquines de vapor, les equacions que havien calculat amb tant d’encert les relacions entre els camps magnètics i els corrents elèctrics, totes aquestes equacions, és a dir, la física més completa i avançada del moment, no podien explicar els resultats dels experiments que es feien per entrellucar el comportament de les partícules microscòpiques.

A més, observar els àtoms directament era impossible. El físic danès Niels Bohr havia dit que quan es parlava d’àtoms, el llenguatge només es podia fer servir com la poesia. A mesura que li va baixar la inflor de la cara i es va anar recuperant, el visitant de Helgoland va decidir que no tenia sentit imaginar què passava dins dels àtoms i va deixar de banda la poesia per centrar-se en les dades observables. Cada vegada que un àtom canviava d’estat energètic, absorbia o emetia llum que es podia registrar en una placa fotogràfica. I això era tot el que se'n podia saber. Per tant, calia esbrinar-ne el comportament a partir d’aquesta informació.

Amb un pensament cada vegada més esmolat gràcies a l’aire net i fresc de Helgoland i a la inspiració que li conferien els passejos pels penya-segats, va organitzar totes aquestes variables en files i columnes fins a formar unes estructures complexes en forma de matrius que va començar a manipular. Hi va treballar obsessivament vint hores al dia fins que, una nit, a les tres de la matinada, la solució va aparèixer al seu davant.

"En un primer moment em vaig espantar molt", escriuria anys més tard. "Tenia la sensació d’estar contemplant un fons subjacent d’una estranya bellesa interior i gairebé em vaig marejar". La troballa l’havia sotmès a un estat d’excitació tan desmesurat que, incapaç d’agafar el son, va sortir de la pensió i va caminar en la fosca amb prou feines esquinçada per un fil de lluna fins que va arribar als penya-segats. Allà hi va veure una roca solitària en forma de pinacle que sobresortia del mar i no es va poder estar d’escalar-la. Un cop al cim, en una imatge que reprodueix fil per randa l’escena que va pintar Caspar David Friedrich en el quadre Caminant sobre un mar de núvols, va esperar que les primeres llums del sol esvaïssin la boira que embolcallava els espadats i s’albirés la immensitat del mar.

El que havia descobert el jove Werner Heisenberg enmig d’aquella exaltació romàntica era que si amb tot aquell reguitzell de variables estructurades en forma de matrius es feien certes operacions, es podien explicar els resultats dels experiments. Ara bé, les operacions no eren les sumes, restes i multiplicacions habituals, sinó que obeïen a unes normes més abstractes. La típica imatge dels electrons que orbiten al voltant del nucli atòmic com els planetes al voltant del sol es difuminava i es convertia en una boira espessa de paràmetres en la qual es podien distingir els patrons d’aquelles matrius que operaven entre elles amb una àlgebra diferent. Heisenberg havia fet amb els àtoms el mateix que Newton amb els planetes.

Què significa la física quàntica

Més enllà que unes matemàtiques estranyes expliquessin els resultats dels experiments, la pregunta que ràpidament es va formular la comunitat científica en veure les matrius de Heisenberg va ser si aquelles matemàtiques, pel fet de ser estranyes, ens estaven dient que la realitat física era diferent del que sempre s’havia pensat. "Aquesta és la gran pregunta", afirma Gemma de les Coves, investigadora ICREA en física teòrica a la Universitat Pompeu Fabra. "Aquesta és la pregunta més difícil en l’àmbit de la divulgació científica", considera Lluís Masanes, investigador i professor d’informació quàntica al University College de Londres. I com totes les grans preguntes, no té una resposta clara.

Des que Heisenberg va publicar la seva troballa, la teoria quàntica no ha parat d’assolir èxits, tant científics com tecnològics. Ha permès construir el model estàndard de la física de partícules, segons el qual tot el que veiem està fet de disset partícules, així com el desenvolupament de l’electrònica moderna. I això, senzillament, ha canviat el món. Paral·lelament, s’han desenvolupat nombroses interpretacions sobre el significat de la misteriosa estructura matemàtica que vertebra la teoria. De les Coves ho resumeix així: "Tot i que hi ha hagut un progrés remarcable, hi ha un desacord massiu respecte a com hem d’interpretar aquest formalisme". Masanes hi afegeix un matís: "La comunitat científica està molt lluny del consens, però totes les propostes tenen en comú que la realitat és molt diferent del que experimentem en el nostre dia a dia".

De Copenhaguen al Multivers

Una de les interpretacions més populars de la mecànica quàntica és l’anomenada "interpretació de Copenhaguen". Segons aquesta versió, un sistema es comporta com si tingués alhora diversos valors de qualsevol propietat física fins al moment que és observat, quan el valor es concreta en un de sol. És a dir, una partícula es pot comportar com si tingués moltes velocitats simultàniament fins que se li fa una mesura. Aleshores es troba un sol valor per a la seva velocitat. D’aquí neix el famós experiment mental del gat de Schrödinger, que estaria viu i mort alhora fins que s’obre la capsa i es defineix si encara miola o ja cria malves.

Una pregunta natural que es pot fer si s’accepta aquesta interpretació és què passa amb la resta de valors possibles que no s’han obtingut en la mesura. Una de les respostes més curioses la va donar el físic Huge Everett el 1957 en una agosarada interpretació que ha guanyat adeptes les últimes dècades: quan es fa una mesura i s’obté un valor (de la velocitat d’una partícula, per exemple), la resta de valors possibles no s’esfumen sinó que, d’alguna manera, segueixen existint en universos paral·lels, cadascun en el seu univers. Si obríssim la capsa i sentíssim un miol, hi hauria un altre univers on el felí més famós de la ciència hauria passat a millor vida. Vet aquí, doncs, el famós multivers.

Malgrat haver obtingut èxits aclaparadors a l’hora de predir els resultats dels experiments i haver generat aplicacions tecnològiques que han canviat el món, la interpretació de la troballa que va fer Heisenberg en aquell illot del mar del Nord segueix sent, doncs, un maldecap. Gemma de les Coves explica que en l’últim congrés on va participar, celebrat precisament a Helgoland fa poques setmanes, va afirmar davant de tot l’auditori, després de vint anys d’estudiar-la: "Jo no entenc la mecànica quàntica". I, a continuació, va explicar què és el que no entenia. "Em va semblar que era el més interessant que podia dir", assegura. "Crec que és una lliçó d’humilitat i, certament, és una visió que va en contra de la ciència com un tot tancat i arrogant, com una mena d’oracle que té la resposta de tot, perquè és ben bé al contrari", conclou.