Guía fundamental de Alberto Casas para entender el Nobel de Física

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Estamos vivos gracias al principio de incertidumbre. Superposición, telepatía, teleportación, teoría de los muchos mundos… El investigador español desentraña las claves de la ciencia que, “hasta el momento, es la única sin un solo fallo para describir la naturaleza”

Alberto Casas, nacido en Zaragoza, se ha planteado a sus 63 años abrir las puertas de la física cuántica al público en general, aun a sabiendas de que es “contraintuitiva” y que el propio Albert Einstein la puso en cuestión. Sin embargo, defiende que es la mejor explicación de “los mecanismos ocultos de la realidad”. Casas, doctor y profesor de Investigación del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM), ha publicado La revolución cuántica (Ediciones B, 2022), una guía fundamental, básica y todo lo comprensible que puede ser, sin perder rigor, sobre la ciencia llamada a desentrañar los mecanismos profundos e inadvertidos de la naturaleza, el origen del universo y el futuro de una computación prácticamente inimaginable cuyos pioneros acaban de ser distinguidos con el Nobel de Física.

Pregunta. ¿Qué es la física cuántica?

Respuesta. Es la teoría que tenemos más potente y, hasta el momento, sin un solo fallo para describir la naturaleza. Quizá algún día se le descubra algún fallo, las teorías no son sagradas ni tienen por qué serlo.

P. Por partes. Liliana, la becaria protagonista de El buen patrón, ante el cortejo del empresario alardeando de conocimientos cuánticos, replica con un ejemplo: una persona cambia al sentirse observada. ¿Puede el amor explicar la función de onda de una partícula, que evoluciona dependiendo de si la observamos o no?

R. [Sonríe] El amor puede ser una metáfora ingeniosa de la física cuántica. Algo de eso hay. La función de onda es uno de los aspectos más misteriosos de la mecánica cuántica y, posiblemente, con elementos que todavía son un poco ambiguos. Según los postulados ortodoxos de la teoría, en el estado de una partícula, mientras no sea observada, pueden convivir muchas posibilidades. Por ejemplo, puede estar en muchos lugares a la vez. El valor de la función de onda en un punto está relacionado con la probabilidad de que, al observarla, la encontramos en ese punto. Esa materialización de la partícula en un lugar concreto es lo que se llama el colapso del estado o de la función de onda. Como se ve, en la mecánica cuántica, los observadores tienen un papel protagonista.

El amor puede ser una metáfora ingeniosa de la física cuántica. Algo de eso hay

P. La mecánica cuántica es intrínsecamente probabilística, pero no conozco ninguna piedra tirada al aire que no caiga.

R. Vamos a poner un ejemplo de esto, porque aquí sí que el mundo microscópico funciona de una manera muy distinta al macroscópico: si yo lanzo una pelota contra una pared, todos sabemos por experiencia que la pelota rebotará y que no pasará al otro lado, lo que se llama efecto túnel. Sin embargo, según la predicción teórica de la mecánica cuántica, la pelota tiene una probabilidad de, realmente, atravesar la pared como un fantasma, pero es tan infinitesimal que jamás veremos una pelota realizando esta proeza. Cuando hacemos el mismo experimento con partículas elementales y con barreras microscópicas, resulta que las partículas, aunque no tengan energía para atravesar la barrera, algunas lo consiguen y en la proporción predicha por la mecánica cuántica. El hecho de que no veamos en la práctica diaria el aspecto probabilístico de la mecánica cuántica se debe, fundamentalmente, a que vivimos en un mundo macroscópico en el cual estos efectos son mucho menos evidentes.

Según la mecánica cuántica, una pelota tiene una probabilidad de atravesar la pared como un fantasma, pero es tan infinitesimal que jamás 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 mecánica cuántica, pero se llama principio por razones históricas. Y lo que dice es que hay magnitudes físicas que no podemos conocer de manera simultánea. Un ejemplo típico es la posición y la velocidad de una partícula: no podemos saber con precisión ambas magnitudes simultáneamente. A veces se interpreta como que, cuando medimos la posición, perturbamos la velocidad y es imposible conocer ambas a la vez, pero la cosa es más profunda: lo que dice el principio es que la partícula no puede tener definida al mismo tiempo la posición y la velocidad. No es que seamos incapaces de medirlas simultáneamente, sino que no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Si está bien definida una, no puede estarlo la otra. Ahora, estamos vivos gracias al principio de incertidumbre porque, si no fuera así, los electrones de los átomos caerían en el núcleo: se derrumbaría todo y no podrían existir los elementos y las moléculas y, por lo tanto, no habría vida. Pero si cayeran al núcleo, adquirirían una posición y una velocidad “demasiado bien definidas”, lo cual está prohibido por el principio de incertidumbre.

P. ¿Qué es la superposición de estados?

R. En nuestra vida común, estamos acostumbrados a que los objetos ocupen una posición y solo una. Sin embargo, la física cuántica permite que un electrón esté en una superposición de estados, asociados a posiciones distintas, por ejemplo A y B. Mientras no midamos la posición, convivirán dos realidades: el electrón situado en la posición A y en la posición B. Esto está comprobado experimentalmente hasta la saciedad. De nuevo, en el mundo macroscópico no lo vemos, pero en el microscópico, está más que probado.

P. ¿Y la teoría de los muchos mundos?

R. Tiene mucho que ver con ese “fenómeno mágico”, entre comillas, que tiene lugar, por ejemplo, cuando un observador mide la posición de una partícula y el estado de esta colapsa, obligando a la partícula a materializarse en una posición concreta. En la interpretación ortodoxa de la mecánica cuántica no queda claro qué seres están cualificados como observadores capaces de producir ese colapso: ¿solo los seres humanos? ¿tal vez cualquier sistema de un cierto tamaño, como un animal o un detector? La teoría de los muchos mundos es la hipótesis radical de que realmente el colapso no se produce nunca. Entonces las matemáticas nos dicen que el sistema conjunto, formado por el observador y la partícula, entra globalmente en un estado de superposición y tenemos dos realidades contradictorias conviviendo: el observador viendo la partícula en la posición A y viéndola en la posición B. Esta bifurcación de la realidad se produce de forma incesante, dado que continuamente estamos observando cosas de una manera unica.

P. ¿Qué es y cómo se produce el entrelazamiento?

R. Es una consecuencia los postulados de la mecánica cuántica y, seguramente, el fenómeno físico más sorprendente o que más se aleja de las predicciones de la física clásica. El entrelazamiento consiste en que, si tenemos dos sistemas físicos, lo que sucede en el sistema 1 puede estar correlacionado con lo que sucede en el sistema 2, es decir, afectarle de forma instantánea. Podemos tener dos electrones alejados el uno del otro millones de kilómetros, en extremos opuestos del sistema solar. Si están en un estado entrelazado, lo que se haga sobre uno de ellos afectará de manera instantánea a lo que le sucede al otro, como si hubiera telepatía.

P. ¿Existe esa telepatía?.

En principio no habría ninguna dificultad teórica para teleportar también objetos macroscópicos, incluso seres humanos, aunque la tecnología está absolutamente a años luz de poder conseguir una cosa así

 

P. También afirma que no disponemos ni de pruebas experimentales ni de una teoría con garantías sobre el origen del universo.

R. Tenemos pruebas experimentales de lo que pasó en el universo un segundo después del Big Bang y coincide perfectamente con lo que con lo que predice la teoría. Ahora, si nos remontamos a instantes aún más primitivos, la cosa cada vez se pone más difícil porque las temperaturas y las densidades son cada vez más altas y llega un momento en el que no tenemos una teoría comprobada que describa la naturaleza a esas escalas. Además, el Big Bang deja sin resolver la cuestión de por qué hay un universo y de dónde surgió la materia y la energía que lo puebla. Hay una especulación muy interesante por la cual el universo podría haber surgido como una fluctuación cuántica a partir de la nada. Esto es más bien una idea sugerente que una idea perfectamente formulada matemáticamente, porque la nada, por definición, es algo que no existe.

P. ¿La quietud absoluta no existe?

R. Como decíamos antes, una partícula no puede tener bien definida la posición y la velocidad a la vez. Tomemos el ejemplo de un péndulo: podemos imaginarlo perfectamente parado, pero realmente no es posible: si lo miráramos con un microscopio formidable, veríamos que realmente tiene un cierto movimiento porque no puede estar perfectamente quieto (velocidad cero exacta) y en una posición determinada.

P. ¿Y evitar el ruido en la computación cuántica es imposible?

R. Es uno de los grandes problemas de la computación cuántica. Un ordenador cuántico está hecho de un material formado por átomos 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 ºC. Pero no se puede detener los átomos completamente, debido al principio de incertidumbre. Y esta no es la única fuente de ruido. La más importante es la decoherencia.R. También es otro fenómeno muy sorprendente que ha sido comprobado experimentalmente en partículas elementales. En principio no habría ninguna dificultad teórica para hacerlo también con objetos macroscópicos, incluso con seres humanos, aunque la tecnología está absolutamente a años luz de poder conseguir una cosa así. De momento es ciencia ficción. Pero con partículas elementales, incluso con millones de partículas elementales, sí que se conseguido. Cuando hablamos de teleportación no es que tomemos una partícula en un punto, la destruyamos y esta reaparezca a miles de kilómetros. No es como en Star Trek. No hay una transmisión de materia. Lo que sucede es que se recrea el estado de la partícula inicial en otra partícula situada en otro punto.

En principio, para conseguir esto habría que enviar una cantidad enorme de información, ya que la partícula puede estar en infinitos estados. Lo más sorprendente de la teleportación cuántica es que mucha de esa información no se transmite por medios convencionales, sino que se hace, precisamente, gracias al entrelazamiento cuántico: esa comunicación misteriosa que no es útil por sí sola, pero que, combinada con un poquito de transmisión convencional de información, es capaz de recrear el estado complejo de una partícula. La mayor parte de la transmisión de la información se realiza a través de esa especie de telepatía y, además, de manera instantánea, pero siempre hay que combinarla o complementarla con un poquito de transmisión convencional.

En principio no habría ninguna dificultad teórica para teleportar también objetos macroscópicos, incluso seres humanos, aunque la tecnología está absolutamente a años luz de poder conseguir una cosa así

P. También afirma que no disponemos ni de pruebas experimentales ni de una teoría con garantías sobre el origen del universo.

R. Tenemos pruebas experimentales de lo que pasó en el universo un segundo después del Big Bang y coincide perfectamente con lo que con lo que predice la teoría. Ahora, si nos remontamos a instantes aún más primitivos, la cosa cada vez se pone más difícil porque las temperaturas y las densidades son cada vez más altas y llega un momento en el que no tenemos una teoría comprobada que describa la naturaleza a esas escalas. Además, el Big Bang deja sin resolver la cuestión de por qué hay un universo y de dónde surgió la materia y la energía que lo puebla. Hay una especulación muy interesante por la cual el universo podría haber surgido como una fluctuación cuántica a partir de la nada. Esto es más bien una idea sugerente que una idea perfectamente formulada matemáticamente, porque la nada, por definición, es algo que no existe.

P. ¿La quietud absoluta no existe?

R. Como decíamos antes, una partícula no puede tener bien definida la posición y la velocidad a la vez. Tomemos el ejemplo de un péndulo: podemos imaginarlo perfectamente parado, pero realmente no es posible: si lo miráramos con un microscopio formidable, veríamos que realmente tiene un cierto movimiento porque no puede estar perfectamente quieto (velocidad cero exacta) y en una posición determinada.

P. ¿Y evitar el ruido en la computación cuántica es imposible?

R. Es uno de los grandes problemas de la computación cuántica. Un ordenador cuántico está hecho de un material formado por átomos 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 ºC. Pero no se puede detener los átomos completamente, debido al principio de incertidumbre. Y esta no es la única fuente de ruido. La más importante es la decoherencia.

El universo está lleno de materia oscura que no sabemos lo que es ni puede ser descrita con las teorías actuales de física de partículas. Tiene que ser otra cosa

P. ¿Qué es la decoherencia?

R. Un ordenador clásico funciona manipulando bits, es decir, secuencias de ceros y unos. En contraste, el elemento básico de la computación cuántica es el cúbit, que en esencia es una superposición arbitraria de los estados cero y uno de un bit. La enorme ventaja de un ordenador cuántico es que, usando cúbits, puede calcular de una sola vez trillones de combinaciones distintas de bits, en vez de tener que realizar el cálculo trillones de veces. Pero estas superposiciones cuánticas de estados son muy sensibles a la interacción con el medio ambiente, que tienden a degradarlas hasta hacerlas inútiles para esa operación. Ese efecto es lo que se llama decoherencia.

P. La física cuántica aún deja cuestiones fundamentales sin respuesta. ¿Cuáles?

R. Tal vez la más importante sea hacer compatibles la física cuántica y la teoría de la relatividad, dos teorías formidables pero que, en sus entresijos, son inconsistentes entre ellas. Además, hay muchas cosas de las que no conocemos la explicación. Por ejemplo, el universo está lleno de materia oscura que no sabemos lo que es ni puede ser descrita con las teorías actuales de física de partículas. Tiene que ser otra cosa. Sabemos que está ahí, pero desconocemos qué es. Con las partículas conocidas también hay muchos misterios. Por ejemplo, nadie sabe por qué las partículas elementales tienen la masa que tienen.

 

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