Nuestra teoría de la naturaleza más exitosa está asombrosamente alejada de la realidad.
Pero fijarla puede requerir una teoría aún más extraña.
Los físicos diremos con orgullo que es el más fundamental
de las ciencias.
Las teorías y leyes destilan el funcionamiento del mundo real,
ya sea de las partículas o de los planetas, del calor o de la luz,
las declaraciones conllevan una validez universal.
Pensamos en la ley de la gravedad de Newton,
que describe con ecuánime seguridad cómo cae una manzana
y la Tierra gira alrededor del sol, o las leyes de la termodinámica,
que normaliza los flujos de energía.
Estas leyes físicas en general se expresan en el lenguaje
de las matemáticas, por seguridad.
Pero esto no es más que un atajo conveniente.
Las cantidades matemáticas están cifradas,
sustituyen objetos tangibles del mundo real, físico,
y sus propiedades mensurables.
Esto era cierto hasta que la teoría cuántica entró en escena.
La teoría cuántica es muy singular, no sólo porque sus extrañas predicciones son una fuente de consternación para físicos y filósofos, sino porque sus estructuras matemáticas no tienen a la vista ninguna conexión obvia con el mundo real.
"No tenemos una fuente de formalismo matemático
para la mecánica cuántica".
"No tenemos un buen conjunto de principios que puedan derivarse."
La física cuántica puede ser cuántica,
pero no sé si puede llamarse física.
Ahora, los físicos,
Ahora, los físicos,
queremos cambiar esto.
Pretendemos conducir los esfuerzos hacia una mejor comprensión
de la realidad cuántica, o exponer las deficiencias de una teoría
que nos enseña un nuevo y potencialmente extraño lenguaje con el que describir el mundo.
De cualquier manera, es una búsqueda ambiciosa.
Si deseas elaborar una teoría física, tienes que seguir la receta tradicional:
Si deseas elaborar una teoría física, tienes que seguir la receta tradicional:
Primero, hacer observaciones acerca de cómo funciona el mundo.
Después, tamizar los datos para elegir un patrón.
Un ojo entrenado, ya lo ve con lenguaje matemático.
La prueba de una teoría son sus predicciones.
Si nos puede decir más detalles sobre cómo funciona el mundo, tenemos una fórmula ganadora.
La teoría de la gravedad de Newton es el clásico ejemplo.
La teoría de la gravedad de Newton es el clásico ejemplo.
Está encarnada por una simple ecuación que dice que dos cuerpos experimentarán una atracción mutua que, se incrementará con
sus masas y disminuirá con el cuadrado de la distancia entre ellas.
Fue la pieza central de su obra monumental Principia,
publicada en 1687.
Sus orígenes, sin embargo, se remontan casi a un siglo antes,
a las primeras observaciones verdaderamente precisas
de los movimientos de los cuerpos celestes, realizadas
por el astrónomo danés Tycho Brahe.
Después de la muerte de Brahe, su único ayudante Johannes Kepler, pasó años estudiando detenidamente los datos.
Después de la muerte de Brahe, su único ayudante Johannes Kepler, pasó años estudiando detenidamente los datos.
Finalmente, fue capaz de demostrar que el movimiento podía
ser descrito por tres "leyes" que rigen la naturaleza y la geometría
de las órbitas planetarias.
Fue el genio matemático de Newton, quien extrajo
de éstas la única ecuación que rige casi todas las facetas
que del movimiento planetario se puedan derivar.
Aquí, como en las demás leyes derivadas de la mecánica clásica
Aquí, como en las demás leyes derivadas de la mecánica clásica
de los Principia, las matemáticas y la física hacen un tándem perfecto.
Las cantidades físicas como la fuerza, la masa o la aceleración
se expresan como números que pueden medirse,
y la correspondencia entre lo real y lo abstracto es obvia,
intuitiva y sin fisuras.
Eso no pasa con la teoría cuántica.
Eso no pasa con la teoría cuántica.
Aunque inicialmente estuvo inspirada en una idea arraigada
del mundo real, que la energía venía en pequeños paquetes llamados cuantos, cuando Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg terminaron
su formulación matemática, la teoría ya había adquirido
vida propia
Enlaces cuánticos
Desapareció toda correspondencia entre las variables matemáticas
Enlaces cuánticos
Desapareció toda correspondencia entre las variables matemáticas
y las físicas.
En su lugar aparecieron objetos abstrusos como las funciones de onda, vectores y matrices de estado, y todos actuaban en un entorno matemático irreal llamado espacio de Hilbert, una dimensión superior
y más compleja que la versión normal del espacio de tres dimensiones.
Curiosamente, estas abstracciones funcionan.
Curiosamente, estas abstracciones funcionan.
Sigue un conjunto de reglas matemáticas establecidas
por los fundadores de la teoría cuántica y son capaces de hacer predicciones físicas confirmadas una y otra vez experimentalmente.
Partículas que surgen de la nada sólo para desaparecer de nuevo, objetos cuyo estado físico se vuelve "entrelazado",
y pueden influirse uno a otro de manera instantánea a grandes distancias, gatos que permanecen suspendidos entre la vida
y la muerte, siempre y cuando no los observemos:
todas estas cosas se derivan de la formulación matemática
de la teoría cuántica, y todas parecen ser el reflejo real
de cómo funciona el mundo.
¿Importa que no sepamos por qué?
¿Importa que no sepamos por qué?
Rodeado de láseres, microchips y otros trucos de la tecnología cuántica, sentimos la tentación de decir que
si la teoría no está rota, dejenla correr.
"La mecánica cuántica es, bajo nuestra experiencia, una teoría correcta. Es una especie de gravamen y no sabemos qué es mejor".
"La mecánica cuántica es, bajo nuestra experiencia, una teoría correcta. Es una especie de gravamen y no sabemos qué es mejor".
Pero hay algunos arreglos que hacerle y cierta picazón por algo nuevo.
Uno de ellos es el gran asunto sin terminar de la unificación
de la teoría cuántica con la relatividad general.
"La mecánica cuántica y la relatividad general de Einstein
no se gustan una a otra"
Muchos físicos echamos la culpa a la gravedad,
Muchos físicos echamos la culpa a la gravedad,
y han dedicado gran energías en construcciones no testeadas,
como la teoría de cuerdas, que tratan de vestir con el traje
de la gravedad cuántica.
Una visión alternativa es la que, pese a todos los éxitos,
pone el problema en la misma teoría cuántica.
Mientras no sepamos cuál es la base física de la teoría cuántica, seguirá siendo una posibilidad de realidad difícil de probar.
Entonces, ¿cómo empezar a buscar lo que mueve a la teoría cuántica?
Entonces, ¿cómo empezar a buscar lo que mueve a la teoría cuántica?
La mayoría de los trabajos recientes se dirigen hacia
una característica central aún no explicada de la física cuántica:
el grado de "correlación" entre los estados de desconexión
corporal que la teoría permite o no permite hacer.
En nuestro mundo cotidiano, estamos acostumbrados a la idea
En nuestro mundo cotidiano, estamos acostumbrados a la idea
de que dos acontecimientos es poco probable que se correlacionen,
a menos que exista una clara relación de causa y efecto entre ellos.
Si me pongo una media roja en mi pie derecho, eso no garantiza de ninguna manera que mi pie izquierdo se vista de rojo, a no ser, claro está, que deliberadamente me ponga el otra media roja.
En 1964, John Bell del laboratorio de física de partículas CERN, cerca de Ginebra, Suiza, describió el grado de correlación que permiten
las teorías clásicas.
El resultado de Bell se basó en dos conceptos: realismo y localidad.
Realismo equivale a decir que, las propiedades de un objeto
Realismo equivale a decir que, las propiedades de un objeto
existen antes e independientemente de la medición.
En el mundo clásico, significa que la segunda media de mi cajón es de color rojo, independientemente de si estoy o no tentado a "medir"
su estado con sólo mirarlo.
Localidad es la suposición de que estas propiedades
son independientes de cualquier influencia remota.
En el mundo cuántico, hay supuestos peligrosos.
En el mundo cuántico, hay supuestos peligrosos.
"Resulta que uno o ambos de los principios de Bell debe de estar mal".
Si los efectos cuánticos fuesen visibles en nuestro mundo cotidiano, bien podría ser que mi media roja puesto conduce a que la media de mi cajón automáticamente se cambie a rojo.
El marco matemático desarrollado por Bell y otros,
El marco matemático desarrollado por Bell y otros,
nos permite saber hasta qué punto, la teoría cuántica, permite correlacionar objetos sin aparente relación.
Desde luego, mucho más que en la física clásica,
ya que ésta no correlaciona casi nada.
En 1994, Sandu Popescu, actualmente en la Universidad de Bristol, Reino Unido, y Daniel Rohrlich, ahora en la Universidad Ben Gurion
del Negev en Beersheba, Israel, lo consideraban una hipotética teoría que obedecía sólo una regla, que la causa y efecto no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz.
Curiosamente, se comprueba que tal teoría permitiría
una correlación aún mayor que la que permite incluso la teoría cuántica (Foundations of Physics, vol 24, p 379).
Un mundo con este grado de interconexión sería muy raro, por cierto.
Un mundo con este grado de interconexión sería muy raro, por cierto.
Podría encontrarme que al elegir la media roja de mi cajón de
la mañana, yo habría determinado no sólo el color de mi otra media,
sino el de mi camisa, calzoncillos y hasta el colectivo
que me lleva al trabajo.
Como Gilles Brassard, de la Universidad de Montreal, Canadá,
y sus colegas, demostraron en 2006, en un mundo correlacionado
de este modo, ciertos problemas de comunicación y computación
se reducirían a la trivialidad inverosímil
(Physical Review Letters, vol 96, p 250401).
¿Qué hay debajo?
Eso no sería buena cosa.
¿Qué hay debajo?
Eso no sería buena cosa.
Hemos demostrado que todo en este mundo estaría tan correlacionado que nada podría evolucionar, lo que plantea
la paradójica pregunta de cómo se pudieron desarrollar
las correlaciones
(Physical Review Letters, vol 104, p 080402).
¿Qué relevancia tiene eso?
¿Qué relevancia tiene eso?
Si tan sólo pudiéramos entender por qué la teoría cuántica permite precisamente un grado de correlación así,
tendríamos una comprensión mucho mejor de la física subyacente.
"Sabemos que las correlaciones cuánticas pueden
son más fuertes que la clásica".
"Pero entonces surge la cuestión,
¿y por qué no son más fuertes?
¿Hay algún principio físico que diga que las correlaciones
cuánticas deban tener límites?"
Popescu y Rohrlich habían demostrado que el principio de "causalidad relativista" por sí solo no era la respuesta:
Popescu y Rohrlich habían demostrado que el principio de "causalidad relativista" por sí solo no era la respuesta:
el límite de velocidad cósmica establecido en la relatividad de Einstein puede producir teorías que permitan una mayor correlación
que la mecánica cuántica.
Esto nos lleva a la sugerencia que hicieron el año pasado Marek Zukowski y sus colegas, de la Universidad de Gdansk, Polonia,
donde una variante más ajustada del principio podría lograr el truco.
Ellos llaman a su idea de "causalidad de acceso a la información".
Ellos llaman a su idea de "causalidad de acceso a la información".
Y declaran que, si tú me envías un determinado número de bits
de información, la máxima cantidad de información
a la que yo puedo acceder es ese número de bits,
una perogrullada, tanto en el mundo clásico como en el cuántico.
"Digamos que quiero enviarle una parte de mi número de teléfono
de nueve dígitos de forma codificada", dice Zukowski.
"Si le envío información acerca de los tres primeros dígitos,
sólo podrá decodificar los tres primeros dígitos".
En un mundo donde la causalidad de información no se aplique,
En un mundo donde la causalidad de información no se aplique,
las correlaciones entre los dígitos serían tan fuertes que si supieras
los tres primeros bits, podría deducir cualquiera de los tres dígitos
del número original (Nature, vol 461, p 1101).
Es una idea desconcertante, y estrecha considerablemente
Es una idea desconcertante, y estrecha considerablemente
el máximo nivel de correlaciones que puede sostentar una teoría,
pero no todos los caminos llevan hasta el límite cuántico.
Parece que definir una teoría cuántica requiere además
de algún otro principio.
En 2001, Lucien Hardy, entonces en la Universidad de Oxford,
En 2001, Lucien Hardy, entonces en la Universidad de Oxford,
llevó a cabo tarea un tanto diferente y laboriosa.
En lugar de tratar de escoger un único principio que redujera
las correlaciones entre partículas remotas a los niveles de la mecánica cuántica, se planteó como objetivo desarrollar desde cero un conjunto completo de axiomas, físicamente convincentes,
que definieran sólo a la teoría cuántica.
Esto le llevó a una serie de cinco reglas, algunas de carácter físico
Esto le llevó a una serie de cinco reglas, algunas de carácter físico
y otras de naturaleza más matemática, que en su conjunto
definían la teoría cuántica.
Lamentablemente, los axiomas de Hardy también son compatibles
Lamentablemente, los axiomas de Hardy también son compatibles
con los sistemas de constructos matemáticos distintos de la teoría cuántica.
"Una de dos"
"O nos falta algo muy importante para definir la teoría cuántica,
o de las demás teorías también sirven."
Explorando la primera de estas opciones.
Explorando la primera de estas opciones.
Se formulan tres reglas propias que describen cómo,
según los experimentos, la teoría cuántica funciona en el caso
del sistema cuántico más simple posible, un bit cuántico o "qubit",
es decir, una mezcla o superposición de dos estados posibles.
Si alguna de las reglas se aplicaran solamente a la teoría cuántica,
se descartarían las reglas de otras teorías que resultaran coherentes con los axiomas de Hardy.
La característica definitoria
La primera regla es que el qubit se puede deslizar suave
La característica definitoria
La primera regla es que el qubit se puede deslizar suave
y continuamente entre los dos estados en superposición.
Esto es suficiente para distinguir la teoría cuántica de la física clásica, donde tal facilidad de transición reversible no es posible,
pero eso no quita lo extravagante de la teoría.
La segunda regla es que el qubit está siempre en cualquier
La segunda regla es que el qubit está siempre en cualquier
estado de superposición, de tal manera que sólo se puede extraer
de él cada vez un poco de información,
únicamente se puede medir un estado al mismo tiempo.
La tercera regla sólo se aplica a sistemas compuestos
La tercera regla sólo se aplica a sistemas compuestos
de dos o más qubits.
Conocer las probabilidades de que los qubits individuales estén
en un estado en particular, más las probabilidades de las correlaciones entre ellos, te dice el estado de todo el sistema.
Esto resume la propiedad del entrelazamiento entre los estados cuánticos remotos que muestran los experimentos en el mundo real.
Y resulta que el entrelazamiento podría ser la clave.
Y resulta que el entrelazamiento podría ser la clave.
Sólo una teoría tan correlacionada como la teoría cuántica puede obedecer a todos los axiomas y producir la clase de entrelazamientos que se observan en la naturaleza.
Las teorías con menos correlaciones no crean entrelazamiento
en absoluto, mientras que las teorías más extravagantes producen una situación donde, por ejemplo, puedes medir el estado de todos los qubits de un sistema, conocer las correlaciones entre ellos, aunque todavía no sea capaz de decir el estado de todo el sistema.
"El entrelazamiento es la característica única,
y emana de estos tres axiomas"
Si es verdad que es la mejor respuesta a medias.
Si es verdad que es la mejor respuesta a medias.
¿Por qué es el entrelazamiento lo que lo define?
A riesgo de equivocarme,
"en muchos materiales que nos rodean, los estados fundamentales están entrelazados entre sí y, tal vez, la materia
no sería estable sin entrelazamientos."
Otros no están tan convencidos,
Otros no están tan convencidos,
y ven que la física que hay detrás de la teoría cuántica
está lejos de resolverse.
El esquema de Brukner sigue la ruta tradicional en que
las observaciones determinan los axiomas que a su vez determinan
la teoría, pero asume que nuestras observaciones representan
una imagen completa y real de cómo funciona el mundo.
Existe otra posibilidad:
Existe otra posibilidad:
la observación puede llevarnos por mal camino.
Miguel Navascués, del Imperial College de Londres,
está tratando de averiguar cuál es el nivel máximo de correlación
que una razonable teoría física puede soportar si se imponen diferentes restricciones, el requisito de que la física cuántica reduzca la física clásica a escalas macroscópicas, por ejemplo.
Él encontró un máximo muy por encima del límite cuántico.
Eso le lleva a especular con la idea, sin probarlo con experimentos,
es evidente de que la respuesta "correcta" es una teoría más extravagante que la mecánica cuántica, una teoría que,
incluso, fuese capaz de incorporar la gravedad en su estructura.
"Eso es lo que pienso",
"pero estamos muy lejos de demostrar eso".
Mientras se mantienen esas pequeñas dudas sobre el estado
Mientras se mantienen esas pequeñas dudas sobre el estado
de la teoría cuántica, un resultado así tampoco es impensable.
Hace un siglo, de algunos cabos sueltos de la física clásica se vislumbró todo una tapicería por desentrañar.
Con una apuesta del mismo calibre, algo así podría suceder
con la física cuántica,
¿por qué ahora resulta tan raro?
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