Contra todo pronóstico, la física cuántica es igual para todo el mundo

Un nuevo estudio demuestra que los observadores cuánticos, pese a trabajar en un mundo probabilístico, deben llegar todos a las mismas conclusiones.

Niels Bohr (izquierda) y Albert Einstein (derecha) debatieron incansablemente sobre el significado y los límites de la teoría cuántica, y sus discusiones en las décadas de 1920 y 1930 se han convertido en legendarias. Hoy, casi cien años después, los físicos siguen haciéndose preguntas sobre la teoría, cada vez más refinadas y, a veces, más extrañas.
Niels Bohr (izquierda) y Albert Einstein (derecha) debatieron incansablemente sobre el significado y los límites de la teoría cuántica, y sus discusiones en las décadas de 1920 y 1930 se han convertido en legendarias. Hoy, casi cien años después, los físicos siguen haciéndose preguntas sobre la teoría, cada vez más refinadas y, a veces, más extrañas. FOTO: Paul Ehrenfest

La teoría cuántica es famosa por cambiar de forma radical las reglas del juego de la física: las partículas dejan de ser puntitos que se mueven por el espacio, y pasan a ser ondas; propiedades físicas aparentemente distintas, como la posición y la velocidad, resultan estar relacionadas; a veces uno puede superar un obstáculo aunque no tenga energía suficiente para hacerlo; es posible incluso que el propio espacio y el tiempo sean una propiedad cuántica de los objetos. Uno de los cambios más fuertes que nos trae la cuántica es que es una teoría de probabilidades: en muchos casos la teoría no nos predice un valor para las magnitudes físicas, sino una lista de posibles valores y cuán probable es cada uno de ellos. Por ejemplo, podemos tener un rayo de luz, y su color será rojo con una probabilidad del 75% y verde con una probabilidad del 25%. ¿De qué color es el rayo? La cuántica nos sugiere que esa pregunta no tiene sentido: parece una pregunta sensata, pero la realidad funciona de otra manera.

Este carácter probabilístico de la teoría cuántica da lugar a preguntas un poco inquietantes. Imaginemos que tenemos dos rayos de luz como el de hace un momento, los dos completamente idénticos, y se los damos a dos personas diferentes. Ahora le preguntamos a ambas de qué color es el rayo, y una nos dice que es rojo y la otra que es verde. Han observado el mismo objeto, pero están en desacuerdo absoluto sobre sus propiedades. ¿Quiere decir esto que la realidad depende del observador? La cuántica ¿nos condena a que no hay una física, sino muchas?

La realidad y lo que sabemos de ella

La respuesta que nos da la teoría es que no debemos preocuparnos: la propiedad cuántica genuina del rayo de luz no es su color, sino la probabilidad de cada color. No hay contradicción en que dos observadores aislados vean dos colores diferentes. Lo que han de hacer esos observadores es tomar cien rayos de luz cada uno y comprobar que, efectivamente, 75 serán rojos y 25 serán verdes. En eso sí estarán de acuerdo.

La noción de que diferentes “observadores de la física” deberían estar de acuerdo en lo que están viendo es importante. Esencialmente, nos apunta a que la física no es contradictoria, a que existe una “realidad física” de la que todos los observadores extraen información. Esto es así, efectivamente, en física clásica (las leyes de la física anteriores a la teoría cuántica): en el mundo clásico cada propiedad física tiene un valor único y bien definido, y se puede demostrar que todos los observadores, al razonar a partir de esos valores bien definidos, van a estar de acuerdo en que sus predicciones son compatibles. Puede ocurrir, desde luego, que alguien se equivoque al hacer una medida, o que cometa un error en un cálculo, pero eso son fallos circunstanciales y meramente humanos; no hay nada fundamental en la física que evite que “observemos la realidad”, que es una y la misma para todos. Incluso cuando dos observadores parten de informaciones diferentes, por ejemplo porque uno ha medido antes y otro después, la teoría clásica permite usar las ecuaciones de la física para “explorar la realidad”, deducir qué es lo que vio la otra persona en el pasado y comprobar que es compatible con lo que nosotros hemos visto. La física clásica, pues, es terreno seguro.

En cambio, con la física cuántica la cosa no está tan clara. Esto de que dos personas observen dos rayos de luz idénticos y uno lo vea rojo y el otro verde… ¿es compatible con que haya una “única realidad” en ese rayo de luz? Cabría pensar que el rayo “participa de dos realidades”, una en la que es rojo y otra en la que es verde. Experimentos más complejos que éste, utilizando entrelazamiento cuántico, sugieren que, efectivamente, la realidad en física cuántica es más complicada que la clásica. Algunos físicos opinan que deberíamos renunciar por completo a esta idea de que “existe una realidad subyacente” en la que el rayo tiene un solo color. No es que esta gente defienda que no existe la realidad: más bien dicen que la realidad cuántica no necesita que las propiedades físicas tengan un valor único y bien definido en todo momento. Todavía no hay consenso sobre si estas ideas son acertadas o no, pero lo cierto es que nos pintan un mundo en el que es razonable que los observadores pudieran estar en desacuerdo. Si no hay una única realidad a la que remitirse ¿podemos estar seguros de que personas distintas verán la misma física?

Otro elemento que complica aún más la cuestión es que en física cuántica parece más difícil “ponerse en el lugar del otro”. Pensemos lo siguiente: cuando observamos este rayo de luz que estamos poniendo como ejemplo todo el rato, se diría que parte de la información que había en él desaparece. Digamos que lo hemos visto de color verde. En esa observación no queda nada del hecho de que el 75% de las veces saldría rojo; es perfectamente compatible con que el rayo sea verde un 90% de las veces y amarillo el restante 10%. Sólo cuando repetimos la observación muchas veces obtenemos la información completa. Ahora imaginemos que queremos deducir la información que tenía otra persona que midió hace dos días. ¿Cuántas veces, en esos dos días, se ha perdido información que no podemos recuperar? ¿Estamos seguros de poder reconstruir lo que la otra persona sabía? Si no somos capaces de hacerlo ¿estamos seguros de llegar a las mismas conclusiones que ella?

Acuerdo cuántico

Eso es precisamente lo que aborda un artículo recién publicado en la revista Nature Communications, en el que ha participado nuestra compañera Patricia Contreras. En él utilizan herramientas de teoría de la información para demostrar que los observadores cuánticos pueden superar estos obstáculos y, como mínimo, no estar conformes con que otro observador les contradiga. Dicho de otra manera: los observadores cuánticos deben llegar a las mismas conclusiones cuando calculan probabilidades, y si alguien no coincide con ellos lo racional es pensar que uno de los dos se ha equivocado.

La clave está de la demostración ha estado en la noción de certidumbre compartida. Para que dos observadores obtengan resultados distintos y estén conformes con que eso está bien hace falta que estén seguros de varias cosas. Cada observador, desde luego, debe estar seguro de que su resultado está bien. Pero también cada uno debe estar de acuerdo en que el otro ha hecho bien sus cálculos, o de lo contrario le acusarían de haber cometido un error. Es más: cada uno debe estar seguro de que el otro está seguro del resultado de su rival; de lo contrario, se dirían a sí mismos “El otro todavía se lo está pensando. ¿Y si me dice que he cometido un error?”. Este proceso se puede continuar con frases cada vez más complicadas y más parecidas a un trabalenguas, pero el resumen es: para estar de acuerdo en que nuestros resultados son distintos y convenir que eso es lo lógico y racional hace falta que ambos observadores aprueben su propio proceso de razonamiento y el del otro. Decir “pues mira, nos da a cada uno una cosa, será que la realidad no existe” no es un debate racional, es ser demasiado perezoso como para sentarse y ver qué está pasando. El verdadero desacuerdo es algo mucho más serio, y las leyes de la física cuántica, por extrañas que sean, no lo permiten.

Fijémonos en que este resultado no se pronuncia sobre el carácter de la realidad subyacente. Seguimos sin saber si hay una realidad, si hay varias, o si esa frase ni siquiera tiene sentido, pero por lo menos sabemos que nosotros, observadores de esa presunta realidad, debemos llegar a las mismas conclusiones si hacemos bien nuestro trabajo. Resulta, en cierta manera, reconfortante, y quizá apunta a que el debate sobre el carácter de la realidad no es muy relevante para la física, que se basa en observaciones y en los razonamientos que podemos hacer a partir de ellas. Desde Einstein, la física ha ido poniendo cada vez más énfasis en el observador como intermediario necesario para conocer el mundo. Tal vez éste es un paso más en esa dirección.

QUE NO TE LA CUELEN

  • En un primer vistazo podríamos pensar que la física trata sobre los objetos que hay en el mundo y cómo se comportan, pero ésta es una mirada un tanto inocente. Es más correcto decir que la física trata sobre las propiedades que podemos observar de esos objetos, y cómo se relacionan unas con otras. Lo que no es observable es irrelevante para la física, aunque pueda ser muy interesante desde otros puntos de vista. Por eso es tan importante reflexionar sobre los observadores, qué cosas pueden observar y qué cosas pueden deducir de lo que observan. En última instancia, esas observaciones son lo único que tenemos para hacer física.
  • Precisamente por lo que acabamos de decir, porque la física trabaja con propiedades que podemos observar, nociones como “la realidad” o “la existencia” de tal o cual cosa son extremadamente resbaladizas para la física. ¿Es “real” un objeto por el hecho de que podemos observarlo, o lo que es real es el propio acto de observación? ¿Existen los objetos o lo que existen son sus propiedades, que es lo que observamos? La física, en sentido estricto, no tiene respuesta a estas preguntas. Aun así, muchos físicos se han planteado preguntas similares y han buscado en las teorías físicas pistas que apunten en una dirección o en otra. En este artículo hemos señalado algunas de estas cuestiones, pero es importante mantener en mente que no son preguntas de física y que no podemos encontrar en ella las respuestas.

REFERENCIAS