Artículo publicado por Philip Ball el 11 de septiembre de 2013 en Nature News
Los físicos han pasado un siglo
desconcertados con las paradojas de la teoría cuántica. Ahora, algunos
están intentando reinventarla.
Si decimos la verdad, pocos físicos han
llegado alguna vez a sentirse cómodos con la teoría cuántica. Tras haber
vivido con ella durante más de un siglo, han logrado forjar una buena
relación laboral; los físicos usan ahora rutinariamente las matemáticas
del comportamiento cuántico para hacer cálculos asombrosamente precisos
sobre la estructura molecular, las colisiones de partículas de alta
energía, comportamiento de semiconductores, emisiones de espectro y
mucho más.
Cuántica
Pero las interacciones tienden a ser estrictamente formales. Tan pronto como los investigadores intentan ir más allá y preguntarse qué significan las matemáticas, chocan directamente contra un muro aparentemente impenetrable de paradojas. ¿Puede algo ser realmente una onda y una partícula al mismo tiempo? ¿El gato de Schrödinger realmente está vivo y muerto? ¿Es verdad que incluso la medida más sutil concebible puede, de algún modo, tener un efecto sobre partículas en el otro extremo del universo?
Muchos físicos responden a esta rareza
interna refugiándose en la ‘interpretación de Copenhague’, desarrollada
por Niels Bohr, Werner Heisenberg y sus colegas cuando establecían la
forma moderna de la teoría cuántica en la década de 1920. La
interpretación dice que estas rarezas reflejan el límite fundamental de
lo que puede saberse del mundo, y que tienen que aceptarse las cosas tal
como son – o, como dice la famosa frase del físico David Mermin de la
Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, “¡Cállate y calcula!”1
Pero siempre hay alguien que no se
conforma con callarse – que está determinado a ir más allá y desentrañar
el significado de la teoría cuántica. “¿Qué es lo que hay en este mundo
que nos fuerza a navegar en él con la ayuda de una entidad tan
abstracta?”, se pregunta el físico Maximilian Schlosshauer de la
Universidad de Portland en Oregón, refiriéndose al principio de
incertidumbre; la función de onda que describe la probabilidad de
encontrar un sistema en varios estados; y todo el resto de parafernalia
que se encuentra en los libros de texto sobre teoría cuántica.
A lo largo de la última década,
aproximadamente, una pequeña comunidad de estos respondones han empezado
a defender que la única forma de avanzar es demoler la entidad
abstracta y empezar de nuevo. Son un grupo heterogéneo, cada uno con una
idea distinta de cómo debería abordarse tal ‘reconstrucción cuántica.
Pero comparten la convicción de que los físicos han pasado el último
siglo observando la teoría cuántica desde un ángulo incorrecto, haciendo
que su sombra sea extraña, irritante y difícil de comprender. Si se
observase desde la perspectiva adecuada, piensan, todo quedaría claro, y
los viejos misterios tales como la naturaleza cuántica de la gravedad
podrían resolverse por sí mismos de forma natural y obvia – tal vez como
un aspecto de una teoría de probabilidad generalizada.
“El mejor trabajo sobre las bases
cuánticas”, dice Christopher Fuchs del Instituto Perimeter para Física
Teórica en Waterloo, Canadá, “será aquel que pueda escribir una historia
— literalmente una historia, todo en simples palabras — tan convincente
y magnífica en su visualización, que las matemáticas de la mecánica
cuántica en todos sus detalles técnicos exactos dejen de tener tanta
importante inmediatamente”.
Una propuesta muy razonable
Uno de los primeros intentos de escribir
tal historia llegó en 2001, cuando Lucien Hardy, entonces en la
Universidad de Oxford, Reino Unido, propuso que la teoría cuántica
podría derivarse a partir de un pequeño conjunto de axiomas “muy
razonables”, sobre cómo pueden medirse las probabilidades en cualquier
sistema2, tal como una moneda lanzada al aire.
Hardy empezó haciendo notar que un
sistema clásico puede especificarse completamente midiendo un cierto
número de ‘estados puros’, que denota como N. Para el lanzamiento de una
moneda, en la que el resultado puede ser cara o cruz, N es igual a dos.
Para el lanzamiento de un dado, donde el cubo debe terminar en una de
sus seis caras, N es igual a seis.
La probabilidad, sin embargo, funciona
de manera distinta en el mundo cuántico. Medir el espín de un electrón,
por ejemplo, puede distinguir entre dos estados puros, que puede
describirse de forma grosera como una rotación horaria o antihoraria
alrededor de un eje vertical. Pero, al contrario que en el mundo
clásico, el espín del electrón es una mezcla de dos estados cuánticos
antes de que se realice una medida, y tal mezcla varía a lo largo de un
continuo. Hardy tiene esto en cuenta mediante un ‘axioma de continuidad,
el cual requiere que los estados puros se transformen unos en otros sin
saltos. Este axioma implica que se requieren al N2 medidas para especificar de forma completa un sistema — una relación que corresponden con la descripción cuántica estándar.
Pero, en principio, dice Hardy, el
axioma de continuidad también permite teorías de orden superior en las
que se requiere para la completa definición del sistema N3, N4 o más medidas3,
dando como resultado sutiles desviaciones del comportamiento cuántico
estándar que podría ser observable en el laboratorio. Sin embargo, no
trató de analizar tales posibilidades en detalle, su objetivo, más
ambicioso, era demostrar cómo podría crearse un nuevo marco para la
física cuántica como una teoría general de probabilidad. Posiblemente,
señala, tal teoría podría haberse derivado por los matemáticos del siglo
XIX sin conocimiento de las motivaciones empíricas que llevaron a Max
Planck y Albert Einstein a iniciar la mecánica cuántica a principios del
siglo XX.
Fuchs, por ejemplo, encontró muy
estimulante el artículo de Hardy. “Me golpeó la cabeza como un martillo y
ha cambiado mi forma de pensar desde entonces”, dice, convenciéndolo de
perseguir la aproximación de la probabilidad con todas sus fuerzas.
Fuchs estaba especialmente interesado en
reinterpretar el problemático concepto de entrelazamiento: una
situación en la que los estados cuánticos de dos o más partículas son
interdependientes, lo que significa que una medida sobre uno de ellos
permitirá, instantáneamente, determinar el esto de otra. Por ejemplo,
dos fotones emitidos desde un núcleo atómico en sentidos opuestos
podrían entrelazarse, de tal forma que uno se polariza horizontalmente y
el otro verticalmente. Antes de realizar ninguna medida, las
polarizaciones de los fotones está correlacionadas, pero no son fijas.
Una vez que se realiza la medida sobre uno de los fotones, sin embargo,
el otro también queda instantáneamente determinado – incluso si se
encuentra a años luz de distancia.
Tal como Einstein y sus colaboradores
señalaron en 1935, tal acción instantánea sobre distancias
arbitrariamente grandes parece violar la teoría de la relatividad, que
sostiene que nada puede viajar más rápidamente que la luz. Defendían que
esta paradoja era la demostración de que la teoría cuántica era
incompleta.
Pero los otros pioneros salieron al paso
rápidamente. De acuerdo con Erwin Schrödinger, que acuñó el término
‘entrelazamiento’, esta característica es el rasgo esencial de la
mecánica cuántica, “la que fuerza su salida definitiva de las líneas
clásicas de pensamiento”. Posteriores análisis han resuelto la paradoja,
demostrando que las medidas de un sistema entrelazado en realidad no
pueden usarse para transmitir información a mayor velocidad que la luz. Y
los experimentos con fotones de la década de 1980 demostraron que el
entrelazamiento realmente no funciona de esta forma.
Aun así, esta parece ser una extraña
forma de comportamiento para el universo. Y esto es lo que llevó a Fuchs
a requerir un nuevo enfoque a las bases de la cuántica4.
Rechazó la idea, mantenida por mucho en este campo, de que las funciones
de onda, entrelazamiento, y todo lo demás, representan algo real en la
naturaleza (ver Nature 485, 157–158; 2012). En lugar de esto,
ampliando una línea argumental que data de la interpretación de
Conpenhague, insistía en que estas construcciones matemáticas son solo
una forma de cuantificar información personal de los “observadores”,
expectativas, grados de creencia”5.
Se vio animado a seguir con esta visión
por el trabajo de su colega del Instituto Perimeter, Robert Spekkens,
quien llevó a cabo un experimento mental donde se preguntaba qué aspecto
tendría la física si la naturaleza limitase, de algún modo, lo que
cualquier observador podría saber sobre un sistema, imponiendo un
“principio de equilibrio del conocimiento”: ninguna información del
observador sobre el sistema, medida en bits, puede superar la cantidad
de información de la que el observador carece. Los cálculos de Spekkens
demuestran que este principio, aunque parezca arbitrario, es suficiente
para reproducir muchas de las características de la teoría cuántica,
incluyendo el entrelazamiento6. También se ha demostrado que
otros tipos de restricciones sobre lo que puede saberse sobre un
conjunto de estados producen comportamientos similares a los cuánticos7, 8.
Hueco de conocimiento
La lección, dice Fuchs, no es que el
modelo de Spekkens sea realista – nunca intentó serlo – sino que el
entrelazamiento y todo el resto de extraños fenómenos de la teoría
cuántica no son una forma completamente nueva de física. Simplemente
podrían surgir fácilmente de una teoría del conocimiento y sus límites.
Para lograr una mejor idea de cómo
podría suceder esto, Fuchs ha rescrito la teoría cuántica estándar en
una forma que recuerda mucho a una rama de la teoría de probabilidad
clásica conocida como inferencia bayesiana, que tiene sus raíces en el
siglo XVIII. En la visión bayesiana, las probabilidades son con
cantidades intrínsecas ‘ligadas’ a los objetos. En lugar de esto,
cuantifican el grado de creencia personal de un observador de lo que
podría suceder al objeto. La visión bayesiana cuántica de Fuchs, o QBism
(pronunciado ‘cubism’ – cubismo en inglés)9, 10, es un marco
de trabajo que permite recuperar los fenómenos cuánticos conocidos a
partir de unos nuevos axiomas que no requieren de construcciones
matemáticas tales como la función de onda. El QBism ya ha realizado
algunas propuestas experimentales esperanzadoras, señala. Tales
experimentos podría revelar, por ejemplo, nuevas y profundas estructuras
dentro de la mecánica cuántica que permitirían que se re-expresaran las
leyes de probabilidad como variaciones menores de la teoría de
probabilidad estándar11.
“Este nuevo enfoque, de ser válida,
podría cambiar nuestra comprensión de cómo construir computadores
cuánticos y otros dispositivos de información cuántica”, comenta,
señalando que todas esas aplicaciones son muy dependientes del
comportamiento de la probabilidad cuántica.
El conocimiento — que normalmente se
mide en términos de cuántos bits de información tiene un observador
sobre un sistema — es el centro de muchos otros enfoques de
reconstrucción. Tal como expresan los físicos Časlav Brukner y Anton
Zeilinger de la Universidad de Viena, “la física cuántica es una teoría
elemental de la información”12. Mientras tanto, el físico
Marcin Pawłowski de la Universidad de Gdańsk, en Polonia, y sus colegas,
exploran un principio al que llama ‘causalidad de información’13.
Este postulado dice que si un experimentador (llamémoslo Alice) envía m
bits de información sobre sus datos a otro observador (Bob), entonces
Bob no puede lograr más información que m bits clásicos de información
sobre esos datos – sin importar cuánto sepa sobre el experimento de
Alice.
Pawłowski y sus colegas han descubierto
que tanto la física clásica como la mecánica cuántica estándar respetan
este postulado, pero no teorías alternativas que permiten formas más
fuertes de correlaciones similares al entrelazamiento entre partículas
portadoras de información. Por tal razón, el grupo escribe en su
artículo: “la causalidad de la información podría ser una de las
propiedades básicas de la naturaleza” – en otras palabras, un axioma
para alguna futura teoría cuántica reconstruida.
Lo que está complicando algunos de estos
intentos de reconstrucción cuántica es que sugieren que el conjunto de
leyes que gobiernan el universo es sólo una entre muchas posibilidades
matemáticas. “Resulta que muchos principios llevan a toda una clase de
teorías probabilísticas, y no específicamente a la teoría cuántica”,
apunta, “en realidad son genéricas a muchas teorías probabilísticas.
Esto nos permite centrarnos en la cuestión de qué hace única a la teoría
cuántica”.
¿Listo para el éxito?
Hardy dice que el ritmo del trabajo de
reconstrucción cuántica ha tenido un auge durante los últimos años,
cuando los investigadores empezaron a sentir que tenían buenas
herramientas para abordar el problema. “Ahora estamos listos para
algunos avances realmente significativos”, comenta.
Pero, ¿puede alguien juzgar el éxito de
estos esfuerzos? Hardy apunta que algunos investigadores están buscando
señales experimentales de correlaciones cuánticas de nivel superior
permitidas en su teoría. “Sin embargo, yo diría que el criterio real
para el éxito es más teórico”, dice. “¿Tenemos una mejor comprensión de
la teoría cuántica, y los axiomas nos dan nuevas ideas sobre cómo ir más
allá de la física actual?”. Tiene esperanzas de que algunos de estos
principios puedan, finalmente, ayudar en el desarrollo de una teoría de
la gravedad cuántica.
Hay gran espacio para el escepticismo.
“La reconstrucción de la teoría cuántica a partir de un conjunto de
principios básicos parece una idea que tiene todas las apuestas en su
contra”, dice Daniel Greenberger, físico que trabajo en las bases de la
cuántica en el City College de Nueva York5. Aun así,
Schlosshauer defiende que “incluso si ningún programa de reconstrucción
puede finalmente encontrar un conjunto de principios universalmente
aceptados que funcionen, no es trabajo en vano, debido a que habremos
aprendido mucho por el camino”.
Es cautelosamente optimista. “Una vez
que tengamos un conjunto de principios simples y físicamente intuitivos,
la mecánica cuántica será mucho menos misteriosa”, afirma. “Creo que
muchas de las cuestiones abiertas quedarían cerradas. Probablemente no
soy el único que estaría encantado de ser testigo del descubrimiento de
estos principios”.
Nature 501, 154–156 (12 September 2013) doi:10.1038/501154a
Artículos de referencia:
1.- Mermin, N. D. Phys. Today 42, 9 (1989).
2.- Hardy, L. Preprint at http://arxiv.org/abs/quant-ph/0101012 (2001).
3.- Sorkin, R. D. Preprint at http://arxiv.org/abs/gr-qc/9401003 (1994).
4.- Fuchs, C. A. Preprint at http://arxiv.org/abs/quant-ph/0106166 (2001).
5.- Schlosshauer, M. (ed.) Elegance and Enigma: The Quantum Interviews (Springer, 2011).
6.- Spekkens, R. W. Preprint at http://arxiv.org/abs/quant-ph/0401052 (2004).
7.- Kirkpatrick, K. A. Found. Phys. Lett. 16, 199–224 (2003).
8.- Smolin, J. A. Quantum Inform. Comput. 5, 161–169 (2005).
9.- Fuchs, C. A. Preprint at http://arxiv.org/abs/1003.5209 (2010).
10.- Fuchs, C. A. Preprint at http://arxiv.org/abs/1207.2141 (2012).
11.- Renes, J. M., Blume-Kohout, R., Scott, A. J. & Caves, C. M. J. Math. Phys. 45, 2171–2180 (2004).
12.- Brukner, Č. & Zeilinger, A. Preprint at http://arxiv.org/abs/quant-ph/0212084 (2002).
13.- Pawłowski, M. et al. Nature 461, 1101–1104 (2009).
Autor: Philip Ball
Fecha Original: 11 de septiembre de 2013
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