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1 de Noviembre de 2014
Reseña

Bohr

Unidad de la ciencia, unidad de la física.

UNITY AND CONTINUITY IN NIELS BOHR'S PHILOSOPHY OF PHYSICS
Por Roberto Angeloni. Leo S. Olschki, Florencia, 2013.

En 1933, John Archibald Wheeler aducía, en su solicitud de una bolsa de estudio ante el estadounidense Consejo Nacional de Investigación para trasladarse Copenhague y trabajar con Niels Bohr, que su elección se basaba en que «las ideas de Bohr van mucho más allá que las de cualquier otro científico vivo». Algo parecido sentía Werner Heisenberg cuando veía en el danés un filósofo más allá del físico.

Bohr y Wheeler publicaron su primer ensayo conjunto, a finales de los treinta, sobre fisión nuclear explicada en términos cuánticos. El núcleo atómico, que constaba de protones y neutrones, exponían, era como una gota líquida, que empieza vibrando y se elongaba en forma de cacahuete cuando un neutrón emitido por otro núcleo en desintegración colisionaba con él. Wheeler fue convocado para sumarse al proyecto Manhattan. Bohr decía estar más interesado en la filosofía que en los filósofos, atraído por algunas cuestiones filosóficas que emergen en la historia de la ciencia. Preocupado, sobre todo, por las condiciones de posibilidad del conocimiento empírico.

Niels Bohr, nacido en 1885, entró en la Universidad de Copenhague en 1903. Por entonces, todos los alumnos tenían que asistir durante el primer año a un curso propedéutico de filosofía. Bohr realizó ese curso en 1903 con el profesor Harald Høffding. Estudió física con Christian Christiansen. Desde 1905 comenzó a frecuentar un grupo de alumnos donde debatían sobre los asuntos más dispares. Se licenció en 1909 y dos años más tarde obtuvo el doctorado. Pasó un año en Inglaterra de posdoctorado en Cambridge y Manchester.

A través de Høffding llegó Bohr a la filosofía existencialista de Søren Kierkegaard. Høffding fue un filósofo de la continuidad en un tiempo en que la discontinuidad se había convertido en una realidad cuando Max Planck descubrió el cuanto de acción en 1900. A diferencia de Kierkegaard, Høffding sí creía que se daban saltos en la naturaleza inanimada. Investigaciones ulteriores sobre radiactividad demostraron que las leyes causales deberían ser sustituidas por descripciones estadísticas. De hecho, Bohr renunció a las explicaciones causales y defendió cambios espontáneos antes de familiarizarse con el existencialismo de Kierkegaard. Existía una corriente de
simpatía entre Høffding y Bohr. Despertaron el interés de este las clases que aquel impartió sobre una filosofía de la ciencia natural que se espejaba en el trabajo de los físicos, de Copérnico a Newton, de Maxwell a Mach.

Se ha dado por supuesto que el filósofo William James influyó en Bohr. Está más allá de toda duda que hay llamativas analogías entre James y Bohr. De acuerdo con James, solo puede haber pensamiento en asociación con un poseedor específico de ese pensamiento. En consecuencia, pensamiento y pensador, sujeto y objeto se encuentran entrelazados y resulta imposible concebir la objetivación del pensamiento; Bohr subrayaba la necesidad de prestar atención a las circunstancias en que se obtenían las pruebas, en cualquier campo.

La relación de Bohr con el positivismo lógico respaldaba la idea de su interés general por la filosofía. Una atracción que plasmó en el concepto de unidad del conocimiento. Bohr tomó parte en el Segundo Congreso Internacional sobre Unidad de la Ciencia celebrado en Copenhague en 1936, dirigido por los neopositivistas Otto Neurath y Jorgen Jorgensen. Se le invitó a escribir un artículo sobre análisis y síntesis en ciencia de la International Encyclopedia of Unified Science, coordinada por Neurath, Jorgensen y Carnap. En el segundo volumen, Bohr reconocía que, pese a la exigencia práctica de concentrar los científicos sus esfuerzos en un dominio concreto del saber, su labor, en cuanto potenciadora del conocimiento, es la unidad. La historia de la ciencia nos revela que el avance de un campo ha conducido a la unificación de aspectos que antes se presentaban separados e inconexos. No solo hay unidad de la ciencia que interpreta el mundo exterior sino también inseparabilidad del análisis epistemológico y psicológico. A diferencia de los neopositivistas, él no busca la unidad en la reducción de todo a la física, sino en la armonía del todo. Es una postura holista.

Así, a lo largo de su carrera Bohr se propuso reconciliar la teoría clásica y la teoría cuántica en un todo racional y coherente, salvar el hiato entre la descripción clásica y la descripción cuántica. Una continuidad que se aprecia en la descripción clásica, donde las coordenadas de espacio, tiempo, energía y momento pueden, en principio, reputarse indivisibles. En la física clásica, la causalidad se da por cierta, en tanto que en la física cuántica comienzan a aceptarse como intrínsecas a la misma las nociones de indeterminación, descripción estadística y distribución probabilista. Si en la física clásica existe una separación tajante entre objeto y sujeto, en la cuántica tal separación solo puede producirse de una manera arbitraria. La mecánica clásica, newtoniana, presentaba una descripción objetiva de la realidad. Con la introducción del cuanto de acción de Planck en los procesos atómicos, se puso en cuestión la concepción determinista de la naturaleza. Las teorías de la física clásica resultaban idealizaciones válidas solo en la descripción de fenómenos suficientemente grandes, donde podía ignorarse el cuanto de acción.

El primer modelo atómico de Bohr se presentó en 1913 en un extenso artículo publicado en tres partes en el volumen 26 del Philosophical Magazine. El trabajo se titulaba «On the constitution of atoms and molecules». Aportaba la base teórica para el modelo atómico construido por Rutherford en 1911. Se servía de los conceptos cuánticos para resolver la constitución del átomo: los electrones orbitan alrededor de un núcleo central y alcanzan su estabilidad, al admitir que su momento angular se cuantiza. El tránsito de los electrones de una órbita a otra viene acompañado de la absorción o emisión de energía en forma de luz, dando así cuenta de una serie de líneas en el espectro de emisión del hidrógeno.

La teoría introducida por Bohr en 1913 para explicar las líneas espectrales del hidrógeno lleva su nombre. Daba por supuesto que un solo electrón de masa m viajaba en órbita circular de radio r, a una velocidad v, en torno a un núcleo dotado de carga positiva. El momento angular del electrón sería entonces mvr. Bohr propuso que los electrones pudieran ocupar solo órbitas en las que este momento angular presentara ciertos valores fijos: h/2π, 2h/2π, 3h/2π... nh/2π, donde h es la constante de Planck. Ello significa que el momento angular se cuantiza, es decir, presenta solo determinados valores, cada uno de los cuales es múltiplo de h/2π. Cada valor de n va asociado con una órbita de diferente radio. Bohr suponía que, cuando el átomo emitía o absorbía radiación de frecuencia ν, el electrón saltaba de una órbita a la siguiente; la energía emitida o absorbida en cada salto era igual a hν.

Esa teoría dio buenos resultados en la predicción de las líneas observadas en el espectro del átomo de hidrógeno e iones simples (He+, Li2+, etcétera). La idea de valores cuantizados de momento angular fue más tarde explicada por la naturaleza ondulatoria del electrón. Cada órbita ha de tener un número entero de longitudes de onda en torno a la misma; esto es, nλ = 2πr, donde λ corresponde a la longitud de onda y n un número entero. La longitud de onda de una partícula viene dada por h/mv, de suerte que nh/mv = 2πr, que conduce a mvr = nh/2π. La teoría atómica moderna no permite que las partículas subatómicas sean tratadas de la misma forma que los objetos grandes, lo que ha dejado desacreditado hasta cierto punto el razonamiento de Bohr. Persiste, sin embargo, la idea de momento angular cuántico.

El trabajo adquirió una doble importancia en la historia de la física del siglo XX. Por un lado, representaba el primer esbozo de una teoría coherente sobre la constitución del átomo; por otro, se convertía en un avance decisivo de la concepción cuántica al establecer su alto nivel de generalidad. Hasta 1910, la mayoría de los físicos (con la excepción de Einstein, Von Laue y Ehrenfest) estaban convencidos de que la constante de Planck h era característica solo de la radiación del calor. Por ese hito Bohr recibió en 1922 el premio Nobel. Bohr explicaba también la tabla periódica en términos de capas de electrones y desarrolló el modelo de gota líquida del núcleo.

Bohr asignó al principio de correspondencia un puesto central en su teoría. Fue, sobre todo, un instrumento técnico. Derivaba de su profundo convencimiento de la correspondencia entre la física cuántica y la física clásica. El primer trabajo donde empleó el concepto de correspondencia fue en «On the quantum theory of line-spectra. Part I», publicado en 1918. Volvió sobre el asunto en 1920, para culminarlo en 1921. La teoría de los osciladores virtuales, de 1924, constituye un ejemplo de dicho principio. Hasta 1925 no se mostró preocupado ni por la dualidad partícula-onda ni por la dualidad continuidad-discontinuidad. Andaba enfrascado en la incoherencia aparente entre la teoría cuántica, que implica una emisión o absorción discontinuas de radiación, y la teoría electromagnética, que implica una emisión y absorción continuas.

Bohr se había empeñado en elaborar un programa propio de investigación sobre la expansión del conocimiento de los fenómenos atómicos y, al propio tiempo, de revisión de los fundamentos de la física. Ese programa perduró hasta 1927, cuando Bohr aportó su interpretación física de la mecánica cuántica basada en el principio de complementariedad. En 1927, propone la complementariedad de las representaciones de los sucesos porque en el lenguaje ordinario podemos explicar la totalidad de la naturaleza a través de un modo de descripción complementario. Para él, la teoría cuántica es una generalización racional de la mecánica clásica. En sus palabras, sacadas de Atomic theory and the description of nature (1929): «El esfuerzo empeñado en formular leyes generales para estas posibilidades y probabilidades mediante la aplicación debidamente limitada de los conceptos de las teorías clásicas ha conducido recientemente, tras una serie de fases en su desarrollo, a la creación de una mecánica cuántica racional por medio de la cual somos capaces de describir experiencias muy dispares y que puede considerarse en todos sus aspectos una generalización de las teorías físicas clásicas».

Esa tesis resulta necesaria para comprender la postura de Bohr en física cuántica: su visión sobre la complementariedad, el principio de correspondencia y la indispensabilidad de los conceptos clásicos. Aunque Bohr consideraba que el cuanto de acción de Planck desembocaba en una exigencia de revisión de la física, fue más un teórico de la continuidad que un revolucionario. Un teórico de la continuidad en el sentido de que él intentó mantener y subrayar los rasgos de la teoría predecesora que se conservaban en la transición a la teoría sucesora.

El nombre de Bohr va indisociablemente unido a la interpretación de Copenhague. Por tal se entiende la interpretación canónica de la mecánica cuántica en la que un sistema (por ejemplo, una partícula) puede describirse mediante una función de onda. Esta es una función compleja; su significado físico es que el cuadrado del módulo de la función de onda es proporcional a la probabilidad de un estado definido particular. En la interpretación de Copenhague, una partícula no tiene una posición definida o espín hasta que es observada, es decir, hasta que se realiza una medición. La idea es que la medición «colapsa la función de onda», conduciendo a una medición definitiva del estado. Sin embargo, cualquier predicción del estado de un sistema puede ser solo probabilista. La interpretación de Copenhague es la más aceptada por los físicos, pero no se halla exenta de paradojas.

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