Nueva revolución en la Física Cuántica

Un nuevo experimento mental ha puesto patas arriba algunos de los cimientos de la física cuántica y abierto una apasionante polémica en el mundo académico. Los resultados de este experimento, realizado por Daniela Frauchiger y Renato Renner, del Instituto Federal Suizo de Tecnología, se publican en Nature Communications.

La física cuántica lleva más de cien años envuelta en polémicas filosóficas, particularmente en lo que se refiere al papel del observador en la creación de realidad, un proceso conocido en física como colapso de la función de onda.

Este proceso se refiere a lo que ocurre en el mundo cuántico, donde reina un caos en el que fluyen ondas de energía que muestran un universo de posibilidades infinitas. Se parece al patio de un colegio en el momento del recreo: cientos de niños corretean chillando de un lado para otro hasta que suena el timbre. En ese momento, todos se alinean y entran en clase.

La onda que representa ese conjunto de niños agitados se colapsa cuando suena el timbre y el caos de energías dispersas se concreta en una fila de niños dispuestos a aprender. En el universo cuántico, el colapso de energías dispersas se produce cuando interviene un observador: al medir lo que pasa, las ondas se convierten en partículas y forman la realidad que perciben nuestros sentidos (ver al respecto El cántico de la cuántica, Sven Ortoli y J.P. Pharabod, Gedisa, Barcelona, 1987).

Primera vuelta: un gato

El ejemplo del gato de Schrödinger, propuesto en 1935,  destaca la importancia del observador en el colapso de la función de onda y se corresponde con una filosofía concreta llamada idealismo cuántico.

Según este experimento mental, el gato de Schrödinger está encerrado en una caja que contiene, de un lado, comida y, de otro lado, veneno. El dueño lo sabe y espera. Pasado un tiempo abre la caja y puede encontrarse con que el gato ha tomado el alimento y vive, o bien que ha tomado el veneno y ha muerto. Schrödinger piensa que es el observador el que, al mirar dentro de la caja, convierte en real una u otra posibilidad.

Otra interpretación señala que el colapso de la función de onda (el gato vivo o muerto) se produce por efecto del dispositivo de medición, que es el que en realidad reduce a uno concreto los diversos estados de probabilidad, descartando el papel del observador que pretendía Schrödinger. Esta interpretación se conoce como realismo cuántico.

En medio de ambas teorías emerge la Escuela de Copenhague, para la cual la física cuántica no debe ir tan lejos. Considera que estas interpretaciones se refieren no a la realidad en sí misma, sino al conocimiento que tenemos de ella. Ese conocimiento está descrito por la función de onda y es normal que la función de onda se altere por la medición, ya que al actuar modificamos nuestro conocimiento de la realidad.

Segunda vuelta

Una segunda vuelta del gato de Schrödinger la desarrolló otro físico eminente, Eugene Wigner, en los años sesenta. En este escenario, la caja del gato de Schrödinger está dentro de otra caja mayor en la que hay otro físico observando, el así llamado “amigo de Wigner”. En el exterior, Wigner contempla lo que pasa en el experimento mental.

La Escuela de Copenhague se queda pequeña para interpretar lo que pasa en este experimento. El amigo de Wigner ya ha abierto la caja y descubierto que el gato está vivo (por ejemplo), pero Wigner desconoce el resultado de la observación. Sólo puede saberlo si abre la segunda caja y le pregunta a su amigo.

Como hay dos observadores, ¿en qué momento se ha convertido el paquete de ondas de probabilidad en una realidad concreta (el gato está vivo o muerto), cuando el amigo abrió la caja del gato o cuando Wigner descubrió la observación de su amigo?

Una escuela de pensamiento dice que la onda se colapsó cuando el amigo de Wigner abrió la caja del gato. Si es así, el la influencia del observador no sería determinante, ya que uno de ellos ha estado al margen del proceso.

Pero si la  onda colapsó después de que Wigner preguntara a su amigo, eso significaría que la función de onda no colapsa hasta que se concreta la observación al completo, estando el gato vivo y muerto a la vez hasta que ambos observadores concretan la reducción del paquete de ondas.

Tercera vuelta

En el nuevo experimento mental, los científicos suizos complican el colapso de la función de onda. Ya no sólo hay un gato y un observador (Schrödinger) o un gato y dos observadores (Wigner y su amigo). Ahora el gato se sustituye por una moneda y hay dos Wigner y dos amigos de ambos Wigner (Alice y Bob).

Uno de los Wigner coloca a su amiga Alice en una caja y  le pide que lance una moneda al aire, desconociéndose si al caer ofrecerá la cara o la cruz. El segundo Wigner también coloca a su amigo Bob en otra caja.

Cuando la moneda de Alice cae, esta amiga le envía un mensaje cuántico a Bob diciéndole el resultado. Bob descifra el mensaje y conoce que la moneda ha caído de cara (por ejemplo).

Si todo transcurriera según la lógica ordinaria, cuando los dos Wigner abrieran las cajas de sus respectivos amigos, ambos descubrirían que la moneda había caído de cara (siguiendo con el ejemplo).

Sin embargo, lo que ha descubierto este experimento mental es que no siempre es así: un Wigner descubre que la moneda ha caído de cara y el otro de cruz. Ambos están hablando de la misma moneda y del mismo proceso, pero sus observaciones son contradictorias. Y no se deben a errores de cálculo (al menos que se sepa hasta ahora).

Observador enredado

Una vez más, el mundo cuántico desconcierta a la comprensión humana: el efecto del gato de Schrödinger se diluye a medida que se complejiza la observación y cuestiona que podamos tener alguna influencia en la creación de los procesos físicos.

Una de las consecuencias de este nuevo experimento es que refuerza la idea de la coherencia cuántica, según la cual, tal como explicó uno de sus protagonistas, Dieter Zeh, en esta entrevista con Tendencias21 (2002), el "verdadero mundo cuántico" debe ser mucho más rico que nuestro mundo observado. En términos clásicos hay que decir que existen "muchos mundos" que en total forman el único y verdadero mundo cuántico.

Para Dieter Zeh, entre otros autores, los así llamados modelos de decoherencia permiten explicar la ausencia de superposiciones en los estados macroscópicos de la materia (el gato vivo o muerto, la moneda de cara o de cruz), sin necesidad de una intervención determinante del observador.

El nuevo descubrimiento también  añade más incertidumbre acerca de si la física cuántica puede explicar la realidad. Para sus protagonistas, tal como señalan en un comunicado, la única explicación de su resultado es que, aparentemente, la mecánica cuántica no es, como se pensó anteriormente, universalmente aplicable y, por lo tanto, no es válida para los objetos ordinarios, a pesar de que ha sido repetidamente confirmada por la experiencia.  

Existen otras posibilidades además de lo que consideramos como cierto. Quizás incluso tengamos que revisar nuestro concepto de espacio y tiempo una vez más, concluyen estos investigadores.

El observador se enreda, una vez más, en su propia observación.

Referencias

Quantum theory cannot consistently describe the use of itself. Daniela Frauchiger & Renato Renner. Nature Communications, volume 9, Article number: 3711 (2018). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-018-05739-8

Reimagining of Schrödinger’s cat breaks quantum mechanics — and stumps physicists. Davide Castelvecch. Nature News, 18 september 2018.