Gu¨ªa fundamental de Alberto Casas para entender el Nobel de F¨ªsica: ¡°Estamos vivos gracias al principio de incertidumbre¡±

Alberto Casas, nacido en Zaragoza, se ha planteado a sus 63 a?os abrir las puertas de la f¨ªsica cu¨¢ntica al p¨²blico en general, aun a sabiendas de que es ¡°contraintuitiva¡± y que el propio Albert Einstein la puso en cuesti¨®n. Sin embargo, defiende que es la mejor explicaci¨®n de ¡°los mecanismos ocultos de la realidad¡±. Casas, doctor y profesor de Investigaci¨®n del CSIC en el Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (CSIC-UAM), ha publicado La revoluci¨®n cu¨¢ntica (Ediciones B, 2022), una gu¨ªa fundamental, b¨¢sica y todo lo comprensible que puede ser, sin perder rigor, sobre la ciencia llamada a desentra?ar los mecanismos profundos e inadvertidos de la naturaleza, el origen del universo y el futuro de una computaci¨®n pr¨¢cticamente inimaginable cuyos pioneros acaban de ser distinguidos con el Nobel de F¨ªsica.

Pregunta. ?Qu¨¦ es la f¨ªsica cu¨¢ntica?

Respuesta. Es la teor¨ªa que tenemos m¨¢s potente y, hasta el momento, sin un solo fallo para describir la naturaleza. Quiz¨¢ alg¨²n d¨ªa se le descubra alg¨²n fallo, las teor¨ªas no son sagradas ni tienen por qu¨¦ serlo.

P. Por partes. Liliana, la becaria protagonista de El buen patr¨®n, ante el cortejo del empresario alardeando de conocimientos cu¨¢nticos, replica con un ejemplo: una persona cambia al sentirse observada. ?Puede el amor explicar la funci¨®n de onda de una part¨ªcula, que evoluciona dependiendo de si la observamos o no?

R. [Sonr¨ªe] El amor puede ser una met¨¢fora ingeniosa de la f¨ªsica cu¨¢ntica. Algo de eso hay. La funci¨®n de onda es uno de los aspectos m¨¢s misteriosos de la mec¨¢nica cu¨¢ntica y, posiblemente, con elementos que todav¨ªa son un poco ambiguos. Seg¨²n los postulados ortodoxos de la teor¨ªa, en el estado de una part¨ªcula, mientras no sea observada, pueden convivir muchas posibilidades. Por ejemplo, puede estar en muchos lugares a la vez. El valor de la funci¨®n de onda en un punto est¨¢ relacionado con la probabilidad de que, al observarla, la encontramos en ese punto. Esa materializaci¨®n de la part¨ªcula en un lugar concreto es lo que se llama el colapso del estado o de la funci¨®n de onda. Como se ve, en la mec¨¢nica cu¨¢ntica, los observadores tienen un papel protagonista.

El amor puede ser una met¨¢fora ingeniosa de la f¨ªsica cu¨¢ntica. Algo de eso hay

P. La mec¨¢nica cu¨¢ntica es intr¨ªnsecamente probabil¨ªstica, pero no conozco ninguna piedra tirada al aire que no caiga.

R. Vamos a poner un ejemplo de esto, porque aqu¨ª s¨ª que el mundo microsc¨®pico funciona de una manera muy distinta al macrosc¨®pico: si yo lanzo una pelota contra una pared, todos sabemos por experiencia que la pelota rebotar¨¢ y que no pasar¨¢ al otro lado, lo que se llama efecto t¨²nel. Sin embargo, seg¨²n la predicci¨®n te¨®rica de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, la pelota tiene una probabilidad de, realmente, atravesar la pared como un fantasma, pero es tan infinitesimal que jam¨¢s veremos una pelota realizando esta proeza. Cuando hacemos el mismo experimento con part¨ªculas elementales y con barreras microsc¨®picas, resulta que las part¨ªculas, aunque no tengan energ¨ªa para atravesar la barrera, algunas lo consiguen y en la proporci¨®n predicha por la mec¨¢nica cu¨¢ntica. El hecho de que no veamos en la pr¨¢ctica diaria el aspecto probabil¨ªstico de la mec¨¢nica cu¨¢ntica se debe, fundamentalmente, a que vivimos en un mundo macrosc¨®pico en el cual estos efectos son mucho menos evidentes.

Seg¨²n la mec¨¢nica cu¨¢ntica, una pelota tiene una probabilidad de atravesar la pared como un fantasma, pero es tan infinitesimal que jam¨¢s la veremos realizando esta proeza

P. ¡°Estamos vivos gracias al principio de incertidumbre¡±, afirma usted.

R. Se llama principio de incertidumbre, aunque realmente es un teorema, consecuencia de los postulados de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, pero se llama principio por razones hist¨®ricas. Y lo que dice es que hay magnitudes f¨ªsicas que no podemos conocer de manera simult¨¢nea. Un ejemplo t¨ªpico es la posici¨®n y la velocidad de una part¨ªcula: no podemos saber con precisi¨®n ambas magnitudes simult¨¢neamente. A veces se interpreta como que, cuando medimos la posici¨®n, perturbamos la velocidad y es imposible conocer ambas a la vez, pero la cosa es m¨¢s profunda: lo que dice el principio es que la part¨ªcula no puede tener definida al mismo tiempo la posici¨®n y la velocidad. No es que seamos incapaces de medirlas simult¨¢neamente, sino que no pueden estar bien definidas de manera simult¨¢nea. Si est¨¢ bien definida una, no puede estarlo la otra. Ahora, estamos vivos gracias al principio de incertidumbre porque, si no fuera as¨ª, los electrones de los ¨¢tomos caer¨ªan en el n¨²cleo: se derrumbar¨ªa todo y no podr¨ªan existir los elementos y las mol¨¦culas y, por lo tanto, no habr¨ªa vida. Pero si cayeran al n¨²cleo, adquirir¨ªan una posici¨®n y una velocidad ¡°demasiado bien definidas¡±, lo cual est¨¢ prohibido por el principio de incertidumbre.

P. ?Qu¨¦ es la superposici¨®n de estados?

R. En nuestra vida com¨²n, estamos acostumbrados a que los objetos ocupen una posici¨®n y solo una. Sin embargo, la f¨ªsica cu¨¢ntica permite que un electr¨®n est¨¦ en una superposici¨®n de estados, asociados a posiciones distintas, por ejemplo A y B. Mientras no midamos la posici¨®n, convivir¨¢n dos realidades: el electr¨®n situado en la posici¨®n A y en la posici¨®n B. Esto est¨¢ comprobado experimentalmente hasta la saciedad. De nuevo, en el mundo macrosc¨®pico no lo vemos, pero en el microsc¨®pico, est¨¢ m¨¢s que probado.

P. ?Y la teor¨ªa de los muchos mundos?

R. Tiene mucho que ver con ese ¡°fen¨®meno m¨¢gico¡±, entre comillas, que tiene lugar, por ejemplo, cuando un observador mide la posici¨®n de una part¨ªcula y el estado de esta colapsa, obligando a la part¨ªcula a materializarse en una posici¨®n concreta. En la interpretaci¨®n ortodoxa de la mec¨¢nica cu¨¢ntica no queda claro qu¨¦ seres est¨¢n cualificados como observadores capaces de producir ese colapso: ?solo los seres humanos? ?tal vez cualquier sistema de un cierto tama?o, como un animal o un detector? La teor¨ªa de los muchos mundos es la hip¨®tesis radical de que realmente el colapso no se produce nunca. Entonces las matem¨¢ticas nos dicen que el sistema conjunto, formado por el observador y la part¨ªcula, entra globalmente en un estado de superposici¨®n y tenemos dos realidades contradictorias conviviendo: el observador viendo la part¨ªcula en la posici¨®n A y vi¨¦ndola en la posici¨®n B. Esta bifurcaci¨®n de la realidad se produce de forma incesante, dado que continuamente estamos observando cosas de una manera u otra.

P. ?Qu¨¦ es y c¨®mo se produce el entrelazamiento?

R. Es una consecuencia los postulados de la mec¨¢nica cu¨¢ntica y, seguramente, el fen¨®meno f¨ªsico m¨¢s sorprendente o que m¨¢s se aleja de las predicciones de la f¨ªsica cl¨¢sica. El entrelazamiento consiste en que, si tenemos dos sistemas f¨ªsicos, lo que sucede en el sistema 1 puede estar correlacionado con lo que sucede en el sistema 2, es decir, afectarle de forma instant¨¢nea. Podemos tener dos electrones alejados el uno del otro millones de kil¨®metros, en extremos opuestos del sistema solar. Si est¨¢n en un estado entrelazado, lo que se haga sobre uno de ellos afectar¨¢ de manera instant¨¢nea a lo que le sucede al otro, como si hubiera telepat¨ªa.

P. ?Existe esa telepat¨ªa?

R. El fen¨®meno est¨¢ comprobado experimentalmente y es fascinante. Es muy curioso, sin embargo, que esta especie de comunicaci¨®n instant¨¢nea entre estados no se puede emplear para transmitir informaci¨®n ¨²til a velocidad mayor que la luz; lo cual habr¨ªa violado la teor¨ªa de la relatividad.

P. ?Y la teleportaci¨®n?

R. Tambi¨¦n es otro fen¨®meno muy sorprendente que ha sido comprobado experimentalmente en part¨ªculas elementales. En principio no habr¨ªa ninguna dificultad te¨®rica para hacerlo tambi¨¦n con objetos macrosc¨®picos, incluso con seres humanos, aunque la tecnolog¨ªa est¨¢ absolutamente a a?os luz de poder conseguir una cosa as¨ª. De momento es ciencia ficci¨®n. Pero con part¨ªculas elementales, incluso con millones de part¨ªculas elementales, s¨ª que se conseguido. Cuando hablamos de teleportaci¨®n no es que tomemos una part¨ªcula en un punto, la destruyamos y esta reaparezca a miles de kil¨®metros. No es como en Star Trek. No hay una transmisi¨®n de materia. Lo que sucede es que se recrea el estado de la part¨ªcula inicial en otra part¨ªcula situada en otro punto. En principio, para conseguir esto habr¨ªa que enviar una cantidad enorme de informaci¨®n, ya que la part¨ªcula puede estar en infinitos estados. Lo m¨¢s sorprendente de la teleportaci¨®n cu¨¢ntica es que mucha de esa informaci¨®n no se transmite por medios convencionales, sino que se hace, precisamente, gracias al entrelazamiento cu¨¢ntico: esa comunicaci¨®n misteriosa que no es ¨²til por s¨ª sola, pero que, combinada con un poquito de transmisi¨®n convencional de informaci¨®n, es capaz de recrear el estado complejo de una part¨ªcula. La mayor parte de la transmisi¨®n de la informaci¨®n se realiza a trav¨¦s de esa especie de telepat¨ªa y, adem¨¢s, de manera instant¨¢nea, pero siempre hay que combinarla o complementarla con un poquito de transmisi¨®n convencional.

En principio no habr¨ªa ninguna dificultad te¨®rica para teleportar tambi¨¦n objetos macrosc¨®picos, incluso seres humanos, aunque la tecnolog¨ªa est¨¢ absolutamente a a?os luz de poder conseguir una cosa as¨ª

P. Tambi¨¦n afirma que no disponemos ni de pruebas experimentales ni de una teor¨ªa con garant¨ªas sobre el origen del universo.

R. Tenemos pruebas experimentales de lo que pas¨® en el universo un segundo despu¨¦s del Big Bang y coincide perfectamente con lo que con lo que predice la teor¨ªa. Ahora, si nos remontamos a instantes a¨²n m¨¢s primitivos, la cosa cada vez se pone m¨¢s dif¨ªcil porque las temperaturas y las densidades son cada vez m¨¢s altas y llega un momento en el que no tenemos una teor¨ªa comprobada que describa la naturaleza a esas escalas. Adem¨¢s, el Big Bang deja sin resolver la cuesti¨®n de por qu¨¦ hay un universo y de d¨®nde surgi¨® la materia y la energ¨ªa que lo puebla. Hay una especulaci¨®n muy interesante por la cual el universo podr¨ªa haber surgido como una fluctuaci¨®n cu¨¢ntica a partir de la nada. Esto es m¨¢s bien una idea sugerente que una idea perfectamente formulada matem¨¢ticamente, porque la nada, por definici¨®n, es algo que no existe.

P. ?La quietud absoluta no existe?

R. Como dec¨ªamos antes, una part¨ªcula no puede tener bien definida la posici¨®n y la velocidad a la vez. Tomemos el ejemplo de un p¨¦ndulo: podemos imaginarlo perfectamente parado, pero realmente no es posible: si lo mir¨¢ramos con un microscopio formidable, ver¨ªamos que realmente tiene un cierto movimiento porque no puede estar perfectamente quieto (velocidad cero exacta) y en una posici¨®n determinada.

P. ?Y evitar el ruido en la computaci¨®n cu¨¢ntica es imposible?

R. Es uno de los grandes problemas de la computaci¨®n cu¨¢ntica. Un ordenador cu¨¢ntico est¨¢ hecho de un material formado por ¨¢tomos y estos tienen una cierta velocidad, no pueden estar perfectamente quietos, lo que induce perturbaciones indeseables. Se puede reducir este ruido enfriando los sistemas a una temperatura cercana al cero absoluto, -273 ?C. Pero no se puede detener los ¨¢tomos completamente, debido al principio de incertidumbre. Y esta no es la ¨²nica fuente de ruido. La m¨¢s importante es la decoherencia.

El universo est¨¢ lleno de materia oscura que no sabemos lo que es ni puede ser descrita con las teor¨ªas actuales de f¨ªsica de part¨ªculas. Tiene que ser otra cosa

P. ?Qu¨¦ es la decoherencia?

R. Un ordenador cl¨¢sico funciona manipulando bits, es decir, secuencias de ceros y unos. En contraste, el elemento b¨¢sico de la computaci¨®n cu¨¢ntica es el c¨²bit, que en esencia es una superposici¨®n arbitraria de los estados cero y uno de un bit. La enorme ventaja de un ordenador cu¨¢ntico es que, usando c¨²bits, puede calcular de una sola vez trillones de combinaciones distintas de bits, en vez de tener que realizar el c¨¢lculo trillones de veces. Pero estas superposiciones cu¨¢nticas de estados son muy sensibles a la interacci¨®n con el medio ambiente, que tienden a degradarlas hasta hacerlas in¨²tiles para esa operaci¨®n. Ese efecto es lo que se llama decoherencia.

P. La f¨ªsica cu¨¢ntica a¨²n deja cuestiones fundamentales sin respuesta. ?Cu¨¢les?

R. Tal vez la m¨¢s importante sea hacer compatibles la f¨ªsica cu¨¢ntica y la teor¨ªa de la relatividad, dos teor¨ªas formidables pero que, en sus entresijos, son inconsistentes entre ellas. Adem¨¢s, hay muchas cosas de las que no conocemos la explicaci¨®n. Por ejemplo, el universo est¨¢ lleno de materia oscura que no sabemos lo que es ni puede ser descrita con las teor¨ªas actuales de f¨ªsica de part¨ªculas. Tiene que ser otra cosa. Sabemos que est¨¢ ah¨ª, pero desconocemos qu¨¦ es. Con las part¨ªculas conocidas tambi¨¦n hay muchos misterios. Por ejemplo, nadie sabe por qu¨¦ las part¨ªculas elementales tienen la masa que tienen.

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