Alicia se mete en la piel del gato de Schrödinger y sacude los fundamentos de la mecánica cuántica [Nature].
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La interpretación de la mecánica cuántica
¿Por qué la física cuántica resulta tan difícil de divulgar? ¿A qué se debe el continuo debate sobre su interpretación? ¿Es posible explicar a los no expertos el origen del problema sin caer en analogías engañosas? La primera parte de este monográfico digital (en PDF) analiza estas preguntas apoyándose en un formato poco explorado en el ámbito de la divulgación científica: el cómic. La segunda incluye una recopilación de artículos históricos sobre algunos de los principales paradigmas interpretativos: la interpretación de Copenhague, el realismo de Einstein, la mecánica bohmiana, los muchos mundos de Everett y el reciente bayesianismo cuántico, o QBismo. Una combinación de humor, física y filosofía para profundizar con rigor en una cuestión que, como muy pocas en la historia de la ciencia, ha fascinado desde siempre a legos y expertos.
En el más famoso de los experimentos mentales, el físico Erwin Schrödinger mostraba que un gato encerrado en una caja podía encontrarse en una incierta condición. De las peculiares reglas de la mecánica cuántica se sigue que, mientras no se abra la caja y se mida el estado del gato, este podría estar a la vez vivo y muerto. Se ha concebido ahora una versión moderna de la paradoja que reemplaza el gato con físicas que hacen experimentos, y las consecuencias son chocantes.
La teoría cuántica tiene una larga historia de experimentos mentales; en la mayoría de los casos, sirven para señalar debilidades de una u otra interpretación de la mecánica cuántica. Pero la última versión, que imagina a varios intervinientes, es inusual: muestra que si la interpretación estándar de la mecánica cuántica es correcta, experimentadores distintos pueden llegar a conclusiones opuestas acerca de lo que la física de la caja ha medido. Significa que la mecánica cuántica se contradice.
Hace más de dos años que se viene debatiendo con ganas este experimento conceptual entre las expertas, y a la mayoría las ha dejado estupefactas, y eso que se trata de un campo acostumbrado a las ideas extrañas. «Creo que se trata de un nivel completamente nuevo de extrañeza», dice Matthew Leifer, físico teórico de la Universidad Chapman, en Orange, California.
Daniela Frauchiger y Renato Renner, del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH), de Zúrich, expusieron ese nuevo experimento mental en 2016, en la Red. El artículo definitivo ha salido en Nature Communications el 18 de septiembre. (Frauchinger ya no trabaja en instituciones científicas).
Extraño mundo
La mecánica cuántica cimienta casi toda la física moderna; lo explica todo, de la estructura de los átomos a la razón de que un imán se pegue a otro. Pero sus fundamentos conceptuales siguen dejando a los investigadores en busca de respuestas. Las ecuaciones de la mecánica cuántica no pueden predecir el resultado exacto de un experimento (la posición de un electrón, por ejemplo); solo pueden predecir las probabilidades de que se obtenga tal o cual valor.
Un objeto cuántico, un electrón, por ejemplo, vive en una nube de incertidumbre, pues, codificada matemáticamente mediante una «función de onda» que va cambiando de forma suave, como las ondulaciones ordinarias en la superficie de un charco. Pero cuando se mide una propiedad del estilo de la posición de un electrón, siempre se obtiene un valor preciso (y se vuelve a obtener el mismo si la medición se repite justo después).
La manera más común de entender esto es la formulada en la década de 1920 por Niels Bohr y Werner Heisenberg. Recibe el nombre de «interpretación de Copenhague», en honor a la ciudad donde vivía Bohr. Mantiene que el hecho de observar un sistema cuántico hace que la función de onda «colapse», que de estar extendida se quede en un solo punto.
La interpretación de Copenhague deja abierta la cuestión de por qué valen reglas diferentes en el mundo cuántico del átomo y en el clásico de las mediciones de laboratorio (y de la experiencia diaria). Pero también conforta: aunque los objetos cuánticos viven en estados inciertos, la observación experimental se produce en el ámbito clásico y arroja resultados carentes de ambigüedad.
Ahora, Frauchiger y Renner expulsan a los científicos de esa comodidad. Su razonamiento teórico establece que el cuadro básico de Copenhague, y el de otras interpretaciones que comparten algunas de sus premisas fundamentales, no es internamente coherente.
¿Qué hay en la caja?
La situación que imaginan es bastante más complicada que la del gato de Schrödinger (enunciada en 1935). El felino vivía en una caja que tenía un mecanismo que hacía que se desprendiese un veneno si se producía un acontecimiento aleatorio, por ejemplo la desintegración de un núcleo atómico. En ese caso, el estado del gato era incierto hasta que se abría la caja y se comprobaba qué había en ella.
En 1967, el físico húngaro Eugene Wigner propuso una versión de la paradoja en la que en vez del gato y el veneno había un amigo del físico que vivía dentro de una caja, y en esta tenía un aparato de medida que podía dar uno de dos resultados, a la manera de la cara y la cruz de una moneda. La función de onda, ¿colapsa cuando el amigo de Wigner entra en conocimiento del resultado? Una escuela de pensamiento dice que sí, dando de ese modo a entender que la conciencia cae fuera del ámbito cuántico. Pero si la mecánica cuántica se aplica también al amigo, este tendrá que hallarse en un estado incierto que combine ambos resultados mientras Wigner no abra la caja.
Frauchinger y Renner tienen una versión aún más sofisticada. Tienen dos Wigners, cada uno de los cuales hace un experimento con una persona a la que tiene encerrada en una caja. Una de esas personas (llamemos Alicia a esta amiga de ese Wigner) puede arrojar una moneda y, valiéndose de su conocimiento de la física cuántica, prepara un mensaje cuántico para enviárselo a la persona encerrada en la otra caja (llamemos Bob a ese amigo de ese Wigner). Valiéndose de su conocimiento de la mecánica cuántica, Bob puede detectar el mensaje de Alicia y conjeturar qué le salió a esta al tirar al aire la moneda. Cuando los dos Wigners abran sus respectivas cajas, en algunas situaciones podrán determinar con certeza el lado de la moneda que le salió a Alicia, explica Renner, pero en ocasiones sus conclusiones serán opuestas. «Uno dirá: ‘estoy seguro de que salió cruz’, y el otro dirá ‘estoy seguro de que salió cara’ », dice.
El experimento no puede realizarse en la práctica porque requeriría que los Wigners midiesen todas las propiedades cuánticas de sus amigos, lo que incluiría leer sus mentes, señala la teórica Lidia del Río, compañera de Renner en el EHT de Zúrich.
Sin embargo, sí podría ser factible que dos ordenadores cuánticos desempeñasen los papeles de Alicia y de Bob: la lógica del argumento solo obliga a que se sepan las reglas de la física y tomen decisiones basadas en ellas, y en principio es posible detectar el estado cuántico completo de un ordenador cuántico. (Ordenadores cuánticos tan refinados como para hacer eso no los hay todavía, puntualiza Renner).
Duelo de interpretaciones
Los físicos no se han hecho todavía a lo que supone este resultado. Ha desencadenado respuestas acaloradas por parte de expertos en los fundamentos de la teoría cuántica, muchos de los cuales tienden a proteger su interpretación preferida. «Algunos se dejan llevar por las emociones», dice Renner. Y diferentes investigadoras tienden a sacar conclusiones diferentes. «La mayoría sostiene que el experimento muestra que su interpretación es la única correcta».
Para Leifer, la producción de resultados incongruentes no rompe necesariamente la baraja. Algunas interpretaciones de la mecánica cuántica permiten ya visiones de la realidad que dependen de la perspectiva. Eso podría ser menos desagradable que tener que admitir que la teoría cuántica no se aplica a las cosas complejas, como las personas, dice.
Robert Spekkens, físico teórico del Instituto Perímetro de Física Teórica, en Waterloo, Canadá, afirma que la escapatoria de la paradoja podría esconderse en algunas sutiles premisas del argumento, en particular en la comunicación entre Alice y Bob.
«En mi opinión, hay muchas situaciones en las que tomar en cuenta el conocimiento que tiene alguien supone alguna traducción de ese conocimiento». Quizá la incongruencia nazca de que Bob no interprete el mensaje de Alice apropiadamente, explica. Pero admite que no ha encontrado todavía la solución.
Es probable que por ahora las físicas sigan debatiendo. «No creo que le hayamos dado sentido a esto», dice Leifer.
Davide Castelvechi / Nature News
Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.
Referencia: «Quantum theory cannot consistently describe the use of itself», de Daniela Frauchiger y Renato Renner en Nature Communications, artículo número 3711 (2018).
