¿Existe el azar? ¿Y la causalidad?

Recientemente he participado en un interesante debate sobre el determinismo y el indeterminismo, en la web de Amazings. Esto me ha hecho pensar sobre el tema de la causalidad y la probabilidad en las teorías físicas y más concretamente en la física cuántica. Esto es un tema muy interesante, porque tiene muchas implicaciones de tipo filosófico y porque marca la diferencia entre la física cuántica y el resto de teorías. Así pues vamos a discutir un poco sobre si existe o no el azar en si, y si todo lo que ocurre tiene o no una causa. 

Teorías deterministas. El demonio de Laplace.

La teoría predominante en la física anterior al siglo XX era, sin duda alguna, la mecánica de Newton. Esta explicaba la dinámica de los cuerpos a partir de las fuerzas que sentían y describía a la perfección (para la época) la interacción gravitatoria. Básicamente esta teoría nos dice que si conoces la posición y la velocidad de las partículas de un sistema podrás calculas la posición y velocidad de las mismas en cualquier momento del futuro o del pasado. Esto es lo que se conoce como determinismo.

Esto hizo al primer protagonista de nuestra historia, Pierre-Simon Laplace, plantearse el siguiente dilema: Si un ser sobrenatural supiera la posición y la velocidad de todas las partículas del mundo con total precisión podría saber su configuración en cualquier momento del futuro, o del pasado. Esto indica que el universo es determinista en sí y que el libre albedrío no es más que una ilusión. El futuro ya está escrito, no podemos hacer nada para cambiarlo. A este curioso individuo sobrenatural se le conoce como el Demonio de Laplace.

Decir tan solo que después de la mecánica newtoniana hubo otras grandes revoluciones que no alteraron este resultado. Ejemplos son el electromagnetismo de Maxwell o la relatividad de Einstein. Ambas teorías son deterministas y el demonio podría seguir calculando con precisión el futuro.


El uso de la estadística en la física pre-cuántica

La pregunta ahora es obvia, ¿si todo es determinista, qué es el azar? Se suele decir habitualmente que los dados son un juego de azar, eso quiere decir que si lanzo uno no sabré el resultado, sólo las probabilidades de que salgan uno u otro (en el ejemplo del dado, si este es perfecto, son todas iguales). Esto parece contradecir al demonio de Laplace, ¿no? Si el resultado del dado no está determinado eso quiere decir que el demonio no podrá saber lo que sale. En realidad no.

El ejemplo del dado es un caso claro del uso de la probabilidad en la física. En realidad el resultado sí está determinado, lo determina el tamaño del dado, como se lanza, la gravedad, etc. Nosotros no podemos saber ni computar esos datos, por lo que lo único que podemos decir es que, a la larga, saldrán todos los resultados el mismo número de veces. Nuestro amigo el demonio, que lo sabe todo, sí podrá predecir el resultado sin problemas, por lo que es mejor no apostar contra él.

Este ejemplo es muy ilustrativo de uno de los usos más habituales de la probabilidad en ciencia, como paliativo de nuestra ignorancia sobre un posible resultado. Curiosamente el primer científico que decidió aplicar a la ciencia este tipo de técnicas, que venían de analizar los "juegos de azar", fue nuestro amigo  Pierre-Simon Laplace.

Laplace, genio del determinismo y la probabilidad. Fuente: Wikipedia.

Estudiando el movimiento de los astros Laplace se encontró con que distintas mediciones daban distintos resultados, y no era posible distinguir cual era correcto. La genialidad por su parte vino de combinar la estadística con estos resultados asociando a cada resultado una probabilidad y luego ponderando en los resultados. Así fue el primero en interpretar la probabilidad como una medida de nuestro desconocimiento. Así la estadística evolucionó y se convirtió en pieza esencial de la ciencia, al analizar los posibles errores de los experimentos. En cualquier caso el determinismo quedó intacto.

Otro uso común en física a la estadística se lo debemos a otro genio, Ludwig Boltzmann. Este fue un defensor acérrimo de la teoría atómica, mucho antes de que se demostrara la existencia de los átomos. Su contribución principal fue considerar que las propiedades termodinámicas de un sistema (temperatura, presión, etc) se deben poder derivar del movimiento de los átomos del mismo y sus interacciones. Como no tenemos ni idea de las posiciones/velocidades de estos, y aunque lo supiéramos no tendríamos manera de calcular su evolución al ser del orden de $10^{23}$ necesitamos recurrir al truco de Laplace, la estadística. Así definió una medida que medía cuantas configuraciones de los átomos pueden dar lugar a las mismas magnitudes, la entropía, y nació una nueva rama de la ciencia la física estadística.

Así pues hasta el siglo XX todo estaba claro, el mundo es determinista y la estadística es un simple truco que usamos para paliar nuestro desconocimiento o nuestra incapacidad de calcular cosas infinitamente complejas. Sin embargo en el siglo XX todo cambió, nació la física cuántica.


El indeterminismo en la física cuántica

Sobre este tema ya hemos hablado anteriormente por estos lares. La física cuántica da lugar a una nueva interpretación de la probabilidad como algo intrínseco a los sistemas en sí. Si revisamos el post anterior sobre la coherencia,  veremos que la física cuántica defiende que el resultado de algunos experimentos no se puede predecir con exactitud, sólo las probabilidades. Para refrescar la memoria podéis ver este vídeo:

La pregunta entonces sería, ¿no será esto también prueba de nuestro desconocimiento? Así pensaban grandes genios del siglo XX, como Einstein o Schrödinger, y defendían que había que completar la teoría para poder determinar así los resultados de manera exacta. Al parecer se equivocaban. Si leemos también el post anterior sobre el entanglement, veremos que los últimos experimentos sobre el tema desechan esta opción. La cuestión resumida es la siguiente: Se han hecho experimentos que violan unas desigualdades, las desigualdades de Bell, esto indica que o bien el mundo es indeterminista en si o bien hay información que viaja a velocidad superior a la de la luz. Como lo segundo nos lleva a un mundo de paradojas y viajes temporales hemos de quedarnos con la primera opción, no se pueden predecir los resultados de estos experimentos. Con esto quiero dejar claro que no es que la física cuántica no pueda y los físicos, en nuestro increíble ego, pensemos que nunca nadie será capaz, es que los resultados experimentales indican que no se puede ni se podrá nunca. Para ser justos he de decir que todos los experimentos realizados hasta la fecha tienen algún tipo de pega (loophole en inglés) y no son 100% concluyentes. También he de añadir que hay bastante gente trabajando en esto y que los más optimistas fijan un par de años como la fecha en la que tendremos un experimento sin loopholes.

¿Cómo afecta esto al determinismo? Pues en mi opinión lo destruye. Este fue uno de los temas de debate en Amazings. La cuestión es que aunque el mundo cuántico es no-determinista nosotros nos movemos en un mundo más grande, donde hay que promediar la estadística de cada caso concreto y esto nos puede dar en cierta medida una capacidad de predecir. Sin embargo aunque eso sea lo normal no es así en cualquier caso, para eso me he inventado un simple experimento mental:

- Primero haremos como Schrödinger con su gato, pero en plan bestia. Cogeremos un átomo radiactivo, tal que en un minuto tenga una probabilidad de un 50% de desintegrarse. Lo conectaremos a un detector que nos dirá si se desintegra o no el átomo.

- Conectamos el detector a una bomba atómica (o un "laser") de las más grandes que se te puedan ocurrir (ya digo que  es como Schrödinger pero a lo grande), si se detecta la desintegración durante el primer minuto la bomba explota, si no se desactiva.

El Doctor Maligno antes de conectar su "Láser" a un detector Geiger y demostrar así que el universo no es determinista. Fuente: Wikipedia.

Y esto es todo. Aunque en general el mundo macroscópico no entiende de las probabilidades cuánticas nosotros con nuestro ingenio hemos conseguido maximizar sus efectos. Aunque la explosíon de la bomba tiene una causa, la desintegración del átomo, esta no tiene ninguna y es imposible de predecir. El demonio de Laplace, pobrecito, no podrá determinar si el átomo se desintegra o no y por lo tanto no sabrá si la bomba explota o no. Imagino que nadie pensará que una explosión nuclear es algo sin importancia, así que queda claro que el futuro puede estar indeterminado.


Consecuencias filosóficas, el argumento cosmológico

Un argumento muy antiguo para tratar de demostrar la existencia de Dios es el llamado argumento cosmológico, de Tomás de Aquino. Este se basa en el siguiente razonamiento:

1. Todo tiene una causa.

2. Ninguna causa puede crearse por sí misma.

3. (por lo tanto) Todo es causado por otra cosa (causa y efecto)

4. Una cadena de causa y efecto no puede ser infinita.

5. Debe de existir un inicio o primera causa.

6. La primera causa puede ser definida como Dios al cumplir con su definición.

Aunque este argumento ya ha sido rebatido, por ejemplo por Hume, la física cuántica nos da un nuevo argumento al negar el primer axioma. No todo tiene una causa. Si el átomo de nuestro experimento mental explota o no no tendrá ninguna causa, simplemente pasará. La explosión de la bomba sí tendrá una causa, la desintegración del átomo, pero no tendrá una causa primera. Obviamente al probar erróneo el primer axioma todo el argumento se desmorona.

Sin duda aún estamos muy lejos de entender el origen del universo. Las teorías actuales sólo nos pueden llevar hasta justo después del Big Bang, pero no a ese momento en si. Sin embargo lo que sí sabemos es que no es necesaria una causa para que ocurra un fenómeno u otro, no al menos al nivel cuántico. Sin duda en el Big Bang los efectos cuánticos debían ser tremendamente importantes, al ocurrir en un tamaño infinitamente pequeño. Así pues, sin ser un argumento a favor o en contra de la existencia de Dios, sí podemos afirmar que el universo no tuvo porqué tener una causa.

Por supuesto todo esto se presta al debate, así que si queréis podéis comentar. Eso sí, para tener un debate racional podemos seguir las normas que vi en escéptica.

Esta obra es de Daniel Manzano Diosdado y tiene una licencia Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual 3.0 Unported License.