El estudio apunta a los principios físicos que subyacen al darwinismo cuántico


En las escalas atómica y subatómica, los objetos se comportan de maneras que desafían la cosmovisión clásica basada en las interacciones del día a día con la realidad macroscópica. Un ejemplo familiar es el descubrimiento de que los electrones pueden comportarse tanto como partículas como como ondas, según el contexto experimental en el que se observen. Para explicar este y otros fenómenos, que parecen contrarios a las leyes de la física heredadas de siglos anteriores, científicos como Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885) han propuesto modelos autoconsistentes pero con interpretaciones contradictorias. -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) y David Bohm (1917-1992), entre otros.

Sin embargo, los grandes debates que acompañaron la formulación de la teoría cuántica, en los que participaron especialmente Einstein y Bohr, no condujeron a resultados concluyentes. La mayor parte de la próxima generación de físicos optó por ecuaciones derivadas de marcos teóricos en conflicto sin preocuparse demasiado por los conceptos filosóficos subyacentes. Las ecuaciones «funcionaron», y aparentemente eso fue suficiente. Varios artefactos tecnológicos que ahora son triviales se basaron en aplicaciones prácticas de la teoría cuántica.

Aunque la teoría cuántica es probabilística y, en general, permite diferentes resultados para una medición (figura de la izquierda), los observadores independientes que monitorean el mismo sistema ven el mismo resultado (figura de la derecha). Crédito: Roberto Baldijão/UNICAMP

Está en la naturaleza humana cuestionar todo, y una pregunta clave que surgió más tarde fue por qué el comportamiento extraño, incluso contrario a la intuición, observado en los experimentos cuánticos no se manifestó en el mundo macroscópico. Para responder a esta pregunta, o sortearla, el físico polaco Wojciech Zurek ha desarrollado el concepto de «darwinismo cuántico».

En pocas palabras, la hipótesis es que la interacción entre un sistema físico y su entorno selecciona ciertos tipos de comportamiento y descarta otros, y que los tipos de comportamiento conservados por esta «selección natural» son precisamente los que corresponden a la descripción clásica.

Así, por ejemplo, cuando alguien lee este texto, sus ojos reciben fotones que interactúan con la pantalla de su ordenador o smartphone. Otra persona, desde un punto de vista diferente, recibirá diferentes fotones, pero aunque las partículas en la pantalla se comportan de manera extraña, produciendo potencialmente imágenes completamente diferentes entre sí, la interacción con el entorno selecciona solo un tipo de comportamiento y excluye el resto, para que las dos lecturas acaben accediendo al mismo texto.

Esta línea de investigación teórica se ha llevado adelante, con un grado aún mayor de abstracción y generalización, en un artículo del físico brasileño Roberto Baldijão publicado en Quantum, una revista revisada por pares de acceso abierto sobre ciencia cuántica y campos relacionados.

El documento informa hallazgos que forman parte del Ph.D. de Baldijão. investigación, supervisada por Marcelo Terra Cunha, profesor del Instituto de Matemáticas, Estadística y Computación Científica de la Universidad de Campinas (IMECC-UUNICAMP) en Brasil.

Los coautores del artículo incluyen a Markus Müller, quien supervisó la pasantía de investigación de Baldijão en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria en Viena.

«El darwinismo cuántico se propuso como un mecanismo para obtener la objetividad clásica a la que estamos acostumbrados de los sistemas inherentemente cuánticos. En nuestra investigación, investigamos qué principios físicos podrían estar detrás de la existencia de tal mecanismo», dijo Baldijão.

Al realizar su investigación, adoptó un formalismo conocido como teorías probabilísticas generalizadas (GPT). «Este formalismo nos permite producir descripciones matemáticas de diferentes teorías físicas y, por lo tanto, compararlas. También nos permite comprender qué teorías obedecen a ciertos principios físicos. La teoría cuántica y la teoría clásica son dos ejemplos de GPT, pero muchas otras también pueden ser descrito”, dijo.

Según Baldijão, trabajar con GPT es conveniente porque permite obtener resultados válidos incluso si en algún momento se debe abandonar la teoría cuántica. Además, el marco proporciona una mejor comprensión del formalismo cuántico comparándolo con lo que no es. Por ejemplo, se puede utilizar para derivar la teoría cuántica a partir de principios físicos más simples sin asumir la teoría desde cero. «Con base en el formalismo de las GPT, podemos averiguar qué principios permiten la existencia del ‘darwinismo’ sin necesidad de recurrir a la teoría cuántica», dijo.

El resultado paradójico al que llegó Baldijão en su investigación teórica fue que la teoría clásica sólo emerge por «selección natural» de teorías con ciertas características no clásicas si implican «entrelazamiento».

«Sorprendentemente, la manifestación de los comportamientos clásicos a través del darwinismo depende de una propiedad tan notablemente no clásica como el enredo», dijo.

El entrelazamiento, que es un concepto clave en la teoría cuántica, ocurre cuando las partículas se crean o interactúan de tal manera que el estado cuántico de cada partícula no puede describirse independientemente de las demás, sino que depende del conjunto completo.

El ejemplo más famoso de entrelazamiento es el experimento mental conocido como EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Se requieren varios párrafos para explicarlo. En una versión simplificada del experimento, Bohm imaginó una situación en la que dos electrones interactúan y luego están separados por una distancia arbitrariamente grande, como la distancia entre la Tierra y la Luna. Si se mide el giro de un electrón, puede girar hacia arriba o hacia abajo, y ambos tienen la misma probabilidad. Los giros de electrones siempre terminarán apuntando hacia arriba o hacia abajo después de una medición, nunca en un ángulo intermedio. Sin embargo, debido a la forma en que interactúan, los electrones deben estar emparejados, lo que significa que giran y orbitan en direcciones opuestas, sea cual sea la dirección de medición. Se desconoce cuál de los dos girará hacia arriba o hacia abajo, pero los resultados siempre serán opuestos debido a su enredo.

Se suponía que el experimento mostraría que el formalismo de la teoría cuántica estaba incompleto porque el entrelazamiento presuponía que la información viajaba entre las dos partículas a una velocidad infinita, lo que era imposible según la teoría de la relatividad. ¿Cómo podrían las partículas distantes «saber» en qué dirección girar para producir resultados opuestos? La idea era que las variables ocultas actuaban localmente detrás de la escena cuántica y que la cosmovisión clásica quedaría reivindicada si estas variables fueran consideradas por una teoría más completa.

Albert Einstein murió en 1955. Casi una década después, su argumento fue más o menos refutado por John Bell (1928-1990), quien construyó un teorema para mostrar que la hipótesis de que una partícula tiene valores definitivos independientemente del proceso de observación es incompatible con teoría cuántica, como lo es la imposibilidad de comunicación inmediata a distancia. En otras palabras, la no localidad que caracteriza al entrelazamiento no es un defecto sino una característica clave de la teoría cuántica.

Cualquiera que sea su interpretación teórica, la existencia empírica del entrelazamiento se ha demostrado en varios experimentos realizados desde entonces. Preservar el entrelazamiento es ahora el principal desafío en el desarrollo de la computación cuántica, ya que los sistemas cuánticos tienden a perder coherencia rápidamente si interactúan con el entorno. Esto nos lleva de vuelta al darwinismo cuántico.

«En nuestro estudio, mostramos que si una GPT muestra decoherencia, esto se debe a que hay una transformación en la teoría capaz de implementar el proceso idealizado del darwinismo que consideramos», dijo Baldijão. «Del mismo modo, si una teoría tiene la estructura suficiente para permitir el cálculo reversible (cálculo que se puede deshacer), entonces también hay una transformación capaz de implementar el darwinismo. Esto es muy interesante, considerando las aplicaciones computacionales de las GPT».

Como resultado complementario del estudio, los autores ofrecen un ejemplo de «darwinismo no cuántico» en forma de extensiones del modelo de juguete de Spekkens, una teoría propuesta en 2004 por el físico canadiense Robert Spekkens, actualmente investigador principal del Instituto Perimeter. de Física Teórica en Waterloo, Ontario. Este modelo es importante para la investigación en profundidad de los fundamentos de la física cuántica porque reproduce muchas formas de comportamiento cuántico sobre la base de conceptos clásicos.

«El modelo no exhibe ningún tipo de no localidad y es incapaz de violar las desigualdades de Bell», dijo Baldijão. «Demostramos que puede exhibir darwinismo, y este ejemplo también muestra que las condiciones que encontramos para garantizar la presencia de darwinismo (decoherencia o computación reversible) son suficientes pero no necesarias para que este proceso ocurra en GPT».

Como investigador principal del proyecto financiado por la FAPESP, Cunha dijo: «La teoría cuántica puede considerarse una generalización de la teoría de la probabilidad, pero está lejos de ser la única posible. Los grandes desafíos en nuestro campo de investigación incluyen comprender las propiedades que distinguir la teoría clásica de la teoría cuántica en este océano de teorías posibles.La tesis doctoral de Baldijão se propuso explicar cómo el darwinismo cuántico podría eliminar una de las características más claramente no clásicas de la teoría cuántica: la contextualidad, que abarca el concepto de entrelazamiento.

«Durante su pasantía de investigación con el grupo de Markus Müller en Viena, Baldijão trabajó en algo aún más general: el proceso del darwinismo en las teorías probabilísticas generales. Sus hallazgos nos ayudan a comprender mejor la dinámica de ciertos tipos de teoría, mostrando que debido a que el darwinismo conserva solo la más apto y por lo tanto crea un mundo clásico, no es un proceso exclusivamente cuántico».

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