La cruzada cuántica (parte 1 de 2)

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.

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.

La segunda y parte final de este artículo puede leerse aquí.