Una de las preguntas para la que los físicos no hemos encontrado una respuesta es por qué la naturaleza eligió la física cuántica, en todo su extraño esplendor, como una forma sensata de comportamiento.
El principio de “aceptar los hechos” implica que un bit cuántico puede lucir como una esfera, pero no como un poliedro. Los bits poliédricos han sido relacionados con teorías discretas del espacio-tiempo discreto.
Al descartar varias teorías alternativas de la naturaleza, el principio puede ayudar a explicar por qué el mundo es cuántico. Crédito: Timothy Yeo / CQT, Universidad Nacional de Singapur
Sabemos que las cosas que siguen las reglas cuánticas, como los átomos, los electrones o los fotones de los que se compone la luz, están llenas de sorpresas. Pueden existir en más de un lugar al mismo tiempo, por ejemplo, o existir en un estado compartido en el que las propiedades de dos partículas muestran lo que Einstein llamó “acción fantasmal a distancia”, independientemente de su separación física.
Debido a que estas cosas se han confirmado en experimentos, los investigadores están seguros de que la teoría es correcta. Pero aún sería más fácil de aceptar si se pudiera demostrar que la física cuántica en sí, surgió de principios subyacentes intuitivos.
Una manera de abordar este problema es imaginar todas las teorías que uno podría formular para describir la naturaleza, y luego averiguar cuáles principios ayudan a destacar la física cuántica.
Un buen comienzo es suponer que la información sigue la teoría especial de la relatividad de Einstein, y no puede viajar más rápidamente que la luz. Sin embargo, esto por sí mismo no es suficiente para definir a la física cuántica como la única forma en que se pueda comportar la naturaleza.
Los físicos Corsin Pfister y Stephanie Wehner piensan que han formulado un nuevo principio de utilidad. “Hemos encontrado un principio que es muy bueno para descartar otras teorías”, dice Corsin.
En resumen, el principio es que si una medición no brinda información, luego, el sistema que se mide no ha sido perturbado.
Los físicos cuánticos aceptan que la obtención de información de los sistemas cuánticos causa perturbación. Corsin y Stephanie sugieren que en un mundo razonable, lo contrario también debe ser cierto.
Si uno no obtiene nada de la medición de un sistema, eso significa que el sistema no puede haber sido perturbado.
Considérese la famosa paradoja del gato de Schrödinger, un experimento mental en el que un gato en una caja existe simultáneamente en dos estados (esto se conoce como una “superposición cuántica”).
Según la teoría cuántica, es posible que el gato está muerto y vivo – hasta que se ‘mide’ el estado de la salud del gato al abrirse la caja.
Cuando se abre la caja, y se mide la salud del gato, la superposición colapsa y el gato termina definitivamente muerto o vivo. La medición ha perturbado al gato.
Esta es una propiedad de los sistemas cuánticos en general.
Cuando se realiza una medición sobre la que uno no puede saber el resultado de antemano, el sistema cambia para coincidir con el resultado que se obtiene.
¿Qué sucede si se mira por segunda vez?
Los investigadores suponen que el sistema no ha cambiado con el tiempo, ni se ha visto afectado por ninguna influencia exterior, lo que significa que el estado cuántico permanece colapsado. Uno espera que en una segunda medición el resultado será el mismo. Después de todo, si uno mira en la caja y encuentra un gato muerto, al volver a mirar una segunda vez, no se espera encontrar un gato resucitado, dice Stephanie.
“Se podría decir que hemos formalizado el principio de la aceptación de los hechos”, añade.
Corsin y Stephanie muestran que este principio excluye diversas teorías de la naturaleza. Señalan en particular que unas teorías que llaman ‘discretas’ son incompatibles con el principio. Estas teorías sostienen que las partículas cuánticas pueden ocupar sólo un número finito de estados, en lugar de que se elija entre un rango continuo infinito de posibilidades.
La posibilidad de un “estado de espacio” concreto se ha relacionado con las teorías gravitacionales cuánticas que proponen una discreción similar en el espacio-tiempo, en el que el tejido del universo se compone de pequeños elementos similares a ladrillos, en lugar de ser una hoja lisa y continua.
Como suele ser el caso en el mundo de la investigación científica, la finalidad de Corsin y Stephanie era resolver un problema totalmente diferente. Corsin estaba tratando de encontrar una manera general de describir los efectos de las mediciones en los estados, un problema que encontró imposible de resolver.
En un intento de avanzar, formuló las características que debe tener una respuesta “razonable”. La propiedad de la obtención de información versus las perturbaciones estaba en la lista.
Luego se dio cuenta de que si imponía la propiedad como un principio, algunas teorías fallarían.
Corsin y Stephanie admiten que aún no han respondido en su totalidad a la gran pregunta del “por qué”, ya que otras teorías, además de la física cuántica, como la física clásica, son compatibles con el principio.
Pero a medida que los investigadores recopilan listas de principios, en los que cada uno descarta alguna teoría, pueden llegar a un conjunto en el que se destaque a la física cuántica.
