Imagen. / MAX LÖFFLER

Concebida a principios del siglo XX y luego emergiendo en su forma completa a mediados de la década de 1920, la mecánica cuántica es la matemática que explica la materia. Es la teoría para describir la física del micromundo, donde los átomos y las moléculas interactúan para generar el mundo de la experiencia humana. Y está en el corazón de todo lo que hizo que el siglo que acaba de pasar sea tan radicalmente diferente del siglo anterior. Desde teléfonos celulares hasta supercomputadoras, desde DVD hasta pdf, la física cuántica impulsó la economía actual basada en la electrónica, transformando el comercio, la comunicación y el entretenimiento.

Pero la teoría cuántica enseñó a los científicos mucho más que cómo hacer chips de computadora. Enseñaba que la realidad no es lo que parece.

“La naturaleza fundamental de la realidad podría ser radicalmente diferente de nuestro mundo familiar de objetos que se mueven en el espacio e interactúan entre sí”, sugirió el físico Sean Carroll en un tuit reciente. “No debemos engañarnos a nosotros mismos al confundir el mundo tal como lo experimentamos con el mundo tal como es en realidad”.

En un documento técnico que respalda su tweet , Carroll señala que la teoría cuántica consiste en ecuaciones que describen entidades matemáticas que se mueven a través de un reino abstracto de posibles eventos naturales. Es plausible, argumenta Carroll, que este reino cuántico de posibilidades matemáticas represente la naturaleza verdadera y fundamental de la realidad. Si es así, todos los fenómenos físicos que percibimos son solo una "descripción emergente de nivel superior" de lo que realmente está sucediendo.

Los eventos "emergentes" en el espacio ordinario son reales a su manera, pero no fundamentales, admite Carroll. La creencia de que la “arena espacial” es fundamental “es más una cuestión de conveniencia y convención que de principios”, dice.

La perspectiva de Carroll no es la única forma de ver el significado de las matemáticas cuánticas, reconoce, y no es totalmente compartida por la mayoría de los físicos. Pero todo el mundo está de acuerdo en que la física cuántica ha remodelado drásticamente la comprensión de la naturaleza por parte de la humanidad. De hecho, una lectura justa de la historia sugiere que la teoría cuántica es el cambio más dramático en la concepción científica de la realidad desde que los antiguos griegos depusieron las explicaciones mitológicas de los fenómenos naturales en favor de la lógica y la razón. Después de todo, la propia física cuántica parece desafiar la lógica y la razón.

Por supuesto que no. La teoría cuántica representa el resultado final de un razonamiento lógico superior, que llega a verdades que nunca podrían descubrirse simplemente observando el mundo visible.

Resulta que en el micromundo —más allá del alcance de los sentidos— los fenómenos juegan un juego con reglas fantásticas. Las partículas básicas de la materia no son pequeñas rocas, sino más bien ondas fantasmales que mantienen múltiples futuros posibles hasta que se ven obligadas a asumir el equivalente subatómico de la sustancia. Como resultado, las matemáticas cuánticas no describen una implacable secuencia de eventos de causa y efecto como había insistido la ciencia newtoniana. En cambio, la ciencia se transforma de dictador a apostador; las matemáticas cuánticas solo cuentan probabilidades para diferentes resultados posibles. Siempre queda algo de incertidumbre.

La revolución cuántica

El descubrimiento de la incertidumbre cuántica fue lo primero que impresionó al mundo con la profundidad de la revolución cuántica. El físico alemán Werner Heisenberg, en 1927, asombró a la comunidad científica con la revelación de que la física determinista de causa y efecto fallaba cuando se aplicaba a los átomos. Era imposible, dedujo Heisenberg, medir tanto la ubicación como la velocidad de una partícula subatómica al mismo tiempo. Si midió uno con precisión, quedó cierta incertidumbre para el otro.

“Una partícula puede tener un lugar exacto o una velocidad exacta, pero no puede tener ambos”, como informó Science News Letter , el predecesor de Science News , en 1929 . “Dicho crudamente, la nueva teoría sostiene que el azar gobierna el mundo físico”. El principio de incertidumbre de Heisenberg “está destinado a revolucionar las ideas del universo que tienen los científicos y los legos en un grado aún mayor que la relatividad de Einstein”.

El avance de Heisenberg fue la culminación de una serie de sorpresas cuánticas. Primero vino el descubrimiento del físico alemán Max Planck, en 1900, de que la luz y otras formas de radiación podían absorberse o emitirse solo en paquetes discretos, que Planck llamó cuantos. Unos años más tarde, Albert Einstein argumentó que la luz también viajaba por el espacio en forma de paquetes, o partículas, más tarde llamadas fotones. Muchos físicos descartaron tales pistas cuánticas tempranas como intrascendentes. Pero en 1913, el físico danés Niels Bohr utilizó la teoría cuántica para explicar la estructura del átomo. Pronto el mundo se dio cuenta de que la realidad necesitaba ser reexaminada.

Para 1921, la conciencia de la revolución cuántica había comenzado a expandirse más allá de los límites de las conferencias de física. En ese año, Science News Bulletin , la primera iteración de Science News , distribuyó lo que "se creía que era la primera explicación popular" de la teoría cuántica de la radiación, proporcionada por el químico físico estadounidense William D. Harkins. Proclamó que la teoría cuántica “tiene mucha más importancia práctica” que la teoría de la relatividad.

“Dado que se ocupa de las relaciones entre la materia y la radiación”, escribió Harkins , la teoría cuántica “tiene una importancia fundamental en relación con casi todos los procesos que conocemos”. La electricidad, las reacciones químicas y cómo responde la materia al calor requieren explicaciones de la teoría cuántica.

En cuanto a los átomos, la física tradicional afirma que los átomos y sus partes pueden moverse “en un gran número de formas diferentes”, afirmó Harkins. Pero la teoría cuántica sostiene que "de todos los estados de movimiento (o formas de movimiento) prescritos por la teoría más antigua, solo ocurre un cierto número". Por lo tanto, los eventos que antes se creía que “ocurrían como procesos continuos, en realidad ocurren en pasos”.

La teoría cuántica “tiene una importancia fundamental en relación con casi todos los procesos que conocemos”.
Guillermo Harkins

Pero en 1921 la física cuántica seguía siendo embrionaria. Se habían discernido algunas de sus implicaciones, pero su forma completa seguía sin desarrollarse en detalle. Fue Heisenberg, en 1925, quien primero transformó el desconcertante revoltijo de pistas en una imagen matemática coherente. Su avance decisivo fue desarrollar una forma de representar las energías de los electrones en los átomos utilizando el álgebra matricial. Con la ayuda de los físicos alemanes Max Born y Pascual Jordan, las matemáticas de Heisenberg se conocieron como mecánica matricial. Poco después, el físico austriaco Erwin Schrödinger desarrolló una ecuación competitiva para las energías de los electrones, considerando las supuestas partículas como ondas descritas por una función de onda matemática. La "mecánica ondulatoria" de Schrödinger resultó ser matemáticamente equivalente al enfoque basado en partículas de Heisenberg,y “mecánica cuántica” se convirtió en el término general para las matemáticas que describen todos los sistemas subatómicos.

Aun así, quedaba cierta confusión. No estaba claro cómo un enfoque que representa a los electrones como partículas podría ser equivalente a uno que supone que los electrones son ondas. Bohr, por entonces considerado como el más destacado de los físicos atómicos del mundo, reflexionó profundamente sobre la cuestión y en 1927 llegó a un punto de vista novedoso que denominó complementariedad.

Bohr argumentó que los puntos de vista de partículas y ondas eran complementarios; ambos eran necesarios para una descripción completa de los fenómenos subatómicos. Que una "partícula", por ejemplo, un electrón, exhibiera su naturaleza de onda o de partícula dependía de la configuración experimental que la observara. Un aparato diseñado para encontrar una partícula encontraría una partícula; un aparato diseñado para detectar el comportamiento de las ondas encontraría una onda.

Casi al mismo tiempo, Heisenberg derivó su principio de incertidumbre. Así como la onda y la partícula no se pudieron observar en el mismo experimento, la posición y la velocidad no se pudieron medir con precisión al mismo tiempo. Como comentó el físico Wolfgang Pauli: “Ahora se vuelve día en la teoría cuántica”.

Pero la aventura cuántica en realidad apenas estaba comenzando.

Un gran debate

Muchos físicos, entre ellos Einstein, deploraron las implicaciones del principio de incertidumbre de Heisenberg. Su introducción en 1927 eliminó la posibilidad de predecir con precisión los resultados de las observaciones atómicas. Como había demostrado Born, simplemente podía predecir las probabilidades de los diversos resultados posibles, utilizando cálculos basados ​​en la función de onda que había introducido Schrödinger. Einstein replicó que no podía creer que Dios jugaría a los dados con el universo. Peor aún, en opinión de Einstein, la dualidad onda-partícula descrita por Bohr implicaba que un físico podía afectar la realidad al decidir qué tipo de medida hacer. Seguramente, creía Einstein, la realidad existía independientemente de las observaciones humanas.

Sobre ese punto, Bohr involucró a Einstein en una serie de discusiones que llegaron a conocerse como el debate Bohr-Einstein, un diálogo continuo que llegó a su punto culminante en 1935. En ese año, Einstein, con sus colaboradores Nathan Rosen y Boris Podolsky, describió un experimento mental que supuestamente muestra que la mecánica cuántica no puede ser una teoría completa de la realidad.

En un breve resumen en Science News Letter en mayo de 1935, Podolsky explicó que una teoría completa debe incluir una "contraparte matemática para cada elemento del mundo físico". En otras palabras, debería haber una función de onda cuántica para las propiedades de cada sistema físico. Sin embargo, si dos sistemas físicos, cada uno descrito por una función de onda, interactúan y luego se separan, "la mecánica cuántica... no nos permite calcular la función de onda de cada sistema físico después de la separación". (En términos técnicos, los dos sistemas se “enredan”, un término acuñado por Schrödinger). Por lo tanto, las matemáticas cuánticas no pueden describir todos los elementos de la realidad y, por lo tanto, son incompletas.

Bohr respondió pronto , como se informó en Science News Letter en agosto de 1935. Declaró que el criterio de Einstein y sus colegas para la realidad física era ambiguo en los sistemas cuánticos. Einstein, Podolsky y Rosen asumieron que un sistema (por ejemplo, un electrón) poseía valores definidos para ciertas propiedades (como su momento) antes de medir esos valores. La mecánica cuántica, explicó Bohr, preservó diferentes valores posibles para las propiedades de una partícula hasta que se midió una de ellas. No se podría asumir la existencia de un “elemento de la realidad” sin especificar un experimento para medirlo.

Niels Bohr y Albert Einstein discreparon sobre la naturaleza de la realidad. FOTOGRAFÍA DE PAUL EHRENFEST, CORTESÍA DE AIP EMILIO SEGRÈ VISUAL ARCHIVES, GAMOW COLLECTION

Einstein no cedió. Reconoció que el principio de incertidumbre era correcto con respecto a lo que era observable en la naturaleza, pero insistió en que, no obstante, algún aspecto invisible de la realidad determinaba el curso de los acontecimientos físicos. A principios de la década de 1950, el físico David Bohm desarrolló una teoría de "variables ocultas" que restauró el determinismo a la física cuántica, pero no hizo predicciones que difirieran de las matemáticas estándar de la mecánica cuántica. Einstein no quedó impresionado con el esfuerzo de Bohm. “Eso me parece demasiado barato”, escribió Einstein a Born, un amigo de toda la vida.

Einstein murió en 1955, Bohr en 1962, ninguno de los cuales cedió al otro. En cualquier caso, parecía una disputa irresoluble, ya que los experimentos darían los mismos resultados de cualquier manera. Pero en 1964, el físico John Stewart Bell dedujo un ingenioso teorema sobre partículas entrelazadas, lo que permitió experimentos para probar la posibilidad de variables ocultas. A partir de la década de 1970 y hasta el día de hoy, experimento tras experimento confirmaron las predicciones estándar de la mecánica cuántica. La objeción de Einstein fue anulada por el tribunal de la naturaleza.

Aún así, muchos físicos expresaron su incomodidad con la visión de Bohr (comúnmente conocida como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica). Un desafío particularmente dramático provino del físico Hugh Everett III en 1957. Insistió en que un experimento no creaba una realidad a partir de las muchas posibilidades cuánticas, sino que identificaba solo una rama de la realidad. Todas las demás posibilidades experimentales existían en otras ramas, todas igualmente reales. Los humanos perciben sólo su propia rama particular, sin darse cuenta de las demás, así como tampoco se dan cuenta de la rotación de la Tierra. Esta “interpretación de muchos mundos” fue ampliamente ignorada al principio, pero se hizo popular décadas después, con muchos adherentes en la actualidad.

Desde el trabajo de Everett, se han ofrecido muchas otras interpretaciones de la teoría cuántica. Algunos enfatizan la “realidad” de la función de onda, la expresión matemática utilizada para predecir las probabilidades de diferentes posibilidades. Otros enfatizan el papel de las matemáticas como descripción del conocimiento sobre la realidad accesible a los experimentadores.

Algunas interpretaciones intentan reconciliar la visión de muchos mundos con el hecho de que los humanos perciben una sola realidad. En la década de 1980, físicos como H. Dieter Zeh y Wojciech Zurek identificaron la importancia de la interacción de un sistema cuántico con su entorno externo, un proceso llamado decoherencia cuántica. Algunas de las muchas realidades posibles de una partícula se evaporan rápidamente cuando encuentra materia y radiación en su vecindad. Pronto, solo una de las posibles realidades permanece consistente con todas las interacciones ambientales, lo que explica por qué en la escala humana de tiempo y tamaño solo se percibe una de esas realidades.

Esta idea generó la interpretación de las “historias coherentes”, iniciada por Robert Griffiths y desarrollada de forma más elaborada por Murray Gell-Mann y James Hartle. Es ampliamente conocido entre los físicos, pero ha recibido poca popularidad y no ha impedido la búsqueda de otras interpretaciones. Los científicos continúan lidiando con lo que significan las matemáticas cuánticas para la naturaleza misma de la realidad.

Usando los principios de la teoría de la información cuántica, el estado cuántico de una partícula se puede replicar en un lugar distante, una hazaña conocida como teletransportación cuántica. MAX LÖFFLER

Es de bits cuánticos

En la década de 1990, la búsqueda de la claridad cuántica dio un nuevo giro con el surgimiento de la teoría cuántica de la información. El físico John Archibald Wheeler, discípulo de Bohr, había enfatizado durante mucho tiempo que las realidades específicas surgían de la niebla de las posibilidades cuánticas mediante amplificaciones irreversibles, como un electrón que definitivamente establece su ubicación al dejar una marca después de golpear un detector. Wheeler sugirió que la realidad como un todo podría construirse a partir de tales procesos, que comparó con preguntas de sí o no: ¿está el electrón aquí? Las respuestas correspondían a bits de información, los 1 y 0 utilizados por las computadoras. Wheeler acuñó el eslogan “it from bit” para describir el vínculo entre la existencia y la información.

Llevando la analogía más allá, uno de los antiguos alumnos de Wheeler, Benjamin Schumacher, ideó la noción de una versión cuántica de la información clásica. Presentó el bit cuántico, o qubit, en una conferencia en Dallas en 1992 .

El qubit de Schumacher proporcionó una base para construir computadoras que pudieran procesar información cuántica. Tales "computadoras cuánticas" habían sido previamente imaginadas, de diferentes maneras, por los físicos Paul Benioff, Richard Feynman y David Deutsch. En 1994, el matemático Peter Shor mostró cómo una computadora cuántica que manipula qubits podría descifrar los códigos secretos más difíciles, iniciando una búsqueda para diseñar y construir computadoras cuánticas capaces de esa y otras hazañas informáticas inteligentes. A principios del siglo XXI, se habían construido computadoras cuánticas rudimentarias; las últimas versiones pueden realizar algunas tareas informáticas, pero aún no son lo suficientemente potentes como para hacer obsoletos los métodos criptográficos actuales. Sin embargo, para ciertos tipos de problemas, la computación cuántica pronto puede lograr una superioridad sobre las computadoras estándar .

Una nueva unidad de información

Benjamin Schumacher introdujo el bit cuántico, o qubit, en 1992, que ofrece una base para la computación cuántica. El qubit puede existir como un 0 y un 1. Cuando el qubit se representa en una esfera, los ángulos formados por el radio hasta el punto de la esfera determinan las probabilidades de medir un 0 o un 1.

La realización de la computación cuántica no ha resuelto el debate sobre las interpretaciones cuánticas. Deutsch creía que las computadoras cuánticas apoyarían la visión de muchos mundos. Sin embargo, casi nadie más está de acuerdo. Y décadas de experimentos cuánticos no han brindado ningún apoyo para interpretaciones novedosas: todos los resultados cumplen con las expectativas tradicionales de la mecánica cuántica. Los sistemas cuánticos conservan diferentes valores para ciertas propiedades hasta que se mide una, tal como insistió Bohr. Pero nadie está completamente satisfecho, quizás porque el otro pilar de la física fundamental del siglo XX, la teoría de la gravedad de Einstein (relatividad general), no encaja en el marco de la teoría cuántica.

Durante décadas, la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad no ha tenido éxito, a pesar de muchas ideas prometedoras. Más recientemente, un nuevo enfoque sugiere que la geometría del espacio-tiempo, la fuente de la gravedad en la teoría de Einstein, puede construirse de alguna manera a partir del entrelazamiento de entidades cuánticas . Si es así, el comportamiento misterioso del mundo cuántico desafía la comprensión en términos de eventos ordinarios en el espacio y el tiempo porque la realidad cuántica crea espacio-tiempo, en lugar de ocuparlo. Si es así, los observadores humanos son testigos de una realidad emergente artificial que da la impresión de que los eventos suceden en el espacio y el tiempo, mientras que la realidad verdadera e inaccesible no tiene que seguir las reglas del espacio-tiempo.

De una manera cruda, esta visión se hace eco de la de Parménides, el antiguo filósofo griego que enseñó que todo cambio es una ilusión. Nuestros sentidos nos muestran la “manera de parecer”, declaró Parménides; sólo la lógica y la razón pueden revelar “el camino de la verdad”. Parménides no llegó a esa idea haciendo cálculos, por supuesto (él dijo que se lo explicó una diosa). Pero fue una figura crucial en la historia de la ciencia, que inició el uso del razonamiento deductivo riguroso y confió en él incluso cuando conducía a conclusiones que desafiaban la experiencia sensorial.

Sin embargo, como se dieron cuenta algunos de los antiguos griegos, el mundo de los sentidos ofrece pistas sobre la realidad que no podemos ver. “Los fenómenos son una visión de lo invisible”, dijo Anaxágoras. Como dice Carroll, en términos modernos, “el mundo tal como lo experimentamos” ciertamente está relacionado con “el mundo tal como es en realidad”.

"Pero la relación es complicada", dice, "y es un verdadero trabajo resolverlo".

De hecho, se necesitaron dos milenios de arduo trabajo para que la revolución griega explicara la naturaleza y madurara hasta convertirse en la comprensión mecanicista de la realidad de la ciencia newtoniana. Tres siglos después, la física cuántica revolucionó la comprensión científica de la realidad en un grado comparable. Sin embargo, la falta de acuerdo sobre lo que significa todo esto sugiere que tal vez la ciencia deba profundizar un poco más.

Sobre Tom Siegfried

Tom Siegfried es corresponsal colaborador. Fue editor en jefe de Science News de 2007 a 2012 y editor gerente de 2014 a 2017.

Autor

Science News

Durante casi un siglo, los periodistas de Science News han cubierto avances en ciencia, medicina y tecnología para el público en general, incluido el ensayo del "mono" de Scopes de 1925, el advenimiento de la era atómica en 1945, la carrera espacial y la revolución de la ingeniería genética, desde el descubrimiento del ADN hasta la tecnología actual de edición de genes. En apoyo de nuestra misión de servir al interés público al brindar una cobertura precisa e imparcial de noticias en ciencia, medicina y tecnología, seguimos estándares ampliamente reconocidos de periodismo desarrollados y adheridos por las principales organizaciones de noticias. Eso incluye ser honestos y transparentes en nuestro trabajo y en nuestras interacciones con fuentes y lectores.