Darwinismo cuántico: una idea que explica la realidad objetiva pasa la primera prueba

Tres experimentos han confirmado el darwinismo cuántico, una teoría que explica cómo las probabilidades cuánticas pueden generar una realidad clásica objetiva

No es sorprendente que la física cuántica tenga fama de ser una ciencia extraña y contraintuitiva. El mundo en el que vivimos no nos parece mecánico cuántico. Y hasta el siglo XX, todos asumieron que las leyes clásicas de la física, deducidas por Isaac Newton y otros científicos, según los cuales los objetos siempre tienen posiciones y propiedades definidas con precisión, funcionan en todas las escalas. Pero Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y sus otros contemporáneos descubrieron que, en el fondo, entre los átomos y las partículas subatómicas, esta especificidad desaparece, convirtiéndose en un desastre de posibilidades. Por ejemplo, no se puede atribuir una determinada ubicación a esto; solo podemos calcular la probabilidad de encontrarla en un lugar en particular. Surge una pregunta desagradable: ¿cómo se combinan las probabilidades cuánticas en una imagen clara del mundo clásico?

Los físicos a veces llaman a esta transformación una "transición cuántica-clásica". Pero, de hecho, no hay razón para creer que lo grande y lo pequeño tienen reglas fundamentalmente diferentes, o que hay un brusco salto entre ellas. En las últimas décadas, los investigadores han entendido muy bien cómo la mecánica cuántica inevitablemente se vuelve clásica a través de la interacción de una partícula u otro sistema microscópico con su entorno.

Una de las ideas más notables en esta plataforma teórica es que ciertas propiedades de los objetos que asociamos con la física clásica, por ejemplo, la ubicación y la velocidad, se seleccionan de un menú de posibilidades cuánticas en un proceso un poco como la selección natural en evolución: las propiedades sobrevivientes resultan ser, en cierto sentido, el más "adecuado". Como en la selección natural, los que hacen más copias de sí mismos sobreviven. Esto significa que varios observadores independientes pueden medir el sistema cuántico y ponerse de acuerdo sobre los resultados, que es el criterio del comportamiento clásico.


Chaoyang Lu y Jian-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hefei de China

Esta idea, llamada "darwinismo cuántico" (CD), explica bien por qué percibimos el mundo que nos rodea de esta manera, y no de la forma extraña que se manifiesta en la escala de átomos y partículas fundamentales. Y aunque los detalles del rompecabezas aún no están claros, el CD ayuda a cerrar la brecha aparente entre los físicos cuánticos y clásicos.

Y solo recientemente los CD han podido verificar experimentalmente. Tres grupos de investigación independientes de Italia, China y Alemania estaban buscando un rasgo característico de la selección natural: la "impresión" múltiple del sistema cuántico en diversos entornos controlados. Hasta ahora, estas pruebas se llevan a cabo a un nivel rudimentario, y los expertos dicen que queda mucho por hacer antes de que podamos decir con confianza que el CD nos da una imagen real de cómo nuestra realidad concreta emerge de las muchas opciones que ofrece la mecánica cuántica. Pero por ahora, la teoría está siendo confirmada.

La supervivencia del más apto

En el corazón del CD se encuentra la ambigua idea de medir, es decir, observar. En física clásica, simplemente vemos todo como es. Vemos una pelota de tenis haciendo 200 km por hora porque tiene tanta velocidad. ¿De qué más hay que hablar?

En física cuántica, esto no es así. Es completamente obvio que los procedimientos matemáticos formales hablan de un "estado de cosas" con respecto a un objeto cuántico. Representan una cierta descripción, que indica lo que podemos encontrar después de la medición. Tomemos, por ejemplo, el hecho de que una partícula cuántica puede tener varios estados posibles a la vez; este estado de cosas se llama "superposición". Esto no significa que la partícula esté en varios estados a la vez, significa que cuando tomemos la medición, veremos uno de estos resultados. Y antes de la medición, diferentes estados interfieren entre sí en la forma de ondas, dando resultados con mayor o menor probabilidad.

Pero, ¿por qué no vemos la superposición cuántica? ¿Por qué no sobreviven todas estas probabilidades de diferentes estados de una partícula, aumentando a escalas humanas?

A menudo se dice que la superposición es algo frágil, es fácil romperla cuando un sistema cuántico choca con un entorno ruidoso. Pero esto no es del todo cierto. Dos objetos cuánticos, que interactúan, se "enredan" entre sí, entrando en un estado cuántico general en el que las probabilidades de sus propiedades comienzan a depender el uno del otro. Supongamos que colocamos un átomo en una superposición de dos estados posibles de su propiedad cuántica llamada "spin": los estados "arriba" y "abajo". Liberamos un átomo en el aire, donde choca con una molécula de aire y se enreda con él. Ahora están en una superposición conjunta. Si el giro del átomo se dirige hacia arriba, entonces la molécula de aire se puede empujar en una dirección, y si se baja, en la otra, estas dos posibilidades existen juntas. Con un aumento en el número de colisiones con otras moléculas de aire, el entrelazamiento se extiende y la superposición, que una vez aplicada solo a este átomo, se dispersa aún más. Los estados de un átomo ya no interfieren coherentemente entre sí, porque ahora están enredados con otros estados del medio ambiente, incluido, posiblemente, algún gran instrumento de medición. Para este instrumento, todo parece haber desaparecido la superposición del átomo, y ha sido reemplazado por un menú de posibles estados clásicos que ya no interfieren entre sí.

Este proceso, en el que la "cuantidad" desaparece en el medio ambiente, se llama decoherencia. Esta es una parte importante de la transición cuántica-clásica, explicando por qué el comportamiento cuántico es difícil de ver en sistemas grandes con muchas partículas que interactúan. Este proceso es extremadamente rápido. Si a una partícula de polvo convencional en el aire se le da una superposición cuántica de dos ubicaciones físicas diferentes ubicadas a una distancia del ancho de esta partícula de polvo entre sí, entonces las colisiones con las moléculas de aire darán lugar a la decoherencia, la indetectabilidad de la superposición, en aproximadamente 10 ^-31 s. Incluso en el vacío, los fotones de luz rápidamente causarán decoherencia: no puedes mirar una mota de polvo sin destruir su superposición.

Sorprendentemente, aunque la decoherencia es una consecuencia directa de la mecánica cuántica, el físico alemán Heinz-Dieter Zee lo descubrió solo en la década de 1970. Un físico estadounidense de ascendencia polaca, Wojciech Zurek, resolvió esta idea a principios de la década de 1980 y le dio fama, y ​​ahora los experimentos también la respaldan.


Wojciech Zurek, físico teórico en el Laboratorio Nacional de Los Alamos

Sin embargo, para explicar la apariencia de la realidad objetiva y clásica, no es suficiente decir simplemente que la decoherencia elimina todo comportamiento cuántico y, por lo tanto, para el observador, todo parece clásico. Algunos observadores pueden de alguna manera estar de acuerdo con las propiedades de los sistemas cuánticos. Zurek, que trabaja en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, cree que dos condiciones son ciertas.

Primero, los sistemas cuánticos deben tener estados que sean particularmente resistentes a la decoherencia destructiva ejercida por el medio ambiente. Zurek los llama "estados indicativos", ya que pueden codificarse a través de los posibles estados del puntero en el dial de la herramienta de medición. La ubicación específica de la partícula, su velocidad, el valor del giro cuántico, la dirección de polarización, todo esto se puede escribir como la posición del puntero en la herramienta de medición. Zurek argumenta que el comportamiento clásico, la existencia de propiedades objetivas estables y bien definidas, solo es posible debido a la existencia de estados indicativos de objetos cuánticos.

Desde un punto de vista matemático, la peculiaridad de los estados indicativos es que no se ven perturbados por las interacciones con el entorno que causan la decoherencia: el estado indicativo se conserva o se vuelve casi idéntico. Esto significa que el medio ambiente no aplasta indiscriminadamente, sino que selecciona ciertos estados y destruye otros. Por ejemplo, la ubicación de una partícula es resistente a la decoherencia. Pero al mismo tiempo, las superposiciones de varias ubicaciones no son estados indicativos: las interacciones con el entorno los decodifican en estados indicativos localizados, de modo que es posible observar solo uno de ellos. Zurek describió esta "superselección generada por el entorno" de estados indicativos en la década de 1980.

Pero hay una segunda condición a la que debe obedecer una propiedad cuántica para ser observada. Aunque la inmunidad a la interacción con el medio ambiente garantiza la estabilidad del estado indicativo, de alguna manera todavía obtenemos bastante información al respecto. Y esto es posible solo si está impreso en el entorno del objeto. Por ejemplo, cuando ve un objeto, esta información llega a su retina gracias a la dispersión de los fotones. Le transfieren esta información en forma de copias parciales de ciertos aspectos del objeto, diciendo algo sobre su ubicación, forma y color. Para que muchos observadores estén de acuerdo con el valor medido, se requieren muchas copias de este tipo, y este es un criterio de la imagen clásica del mundo. Por lo tanto, como argumentó Zurek en la década de 2000, nuestra capacidad de observar una determinada propiedad depende no solo de si se eligió como un estado indicativo, sino también de cuán fuerte sea la impresión que deja en el medio ambiente. Solo podemos observar las condiciones que mejor hacen frente a la creación de copias, por así decirlo, la más adaptada. Por lo tanto, Zurik llama a esta idea darwinismo cuántico.

Resulta que la misma propiedad de estabilidad que promueve la aparición de una súper selección de estados indicativos bajo la influencia del medio ambiente también contribuye a la adaptabilidad según el principio de CD, es decir, la capacidad de crear sus propias copias. "Rodear la observación conduce a la decoherencia de los sistemas", dijo Zurek, "y el mismo proceso responsable de la decoherencia debería dejar muchas copias de la información en el ambiente".

Sobrecarga de información

Por supuesto, no importa si la información sobre el sistema cuántico que está impreso en su entorno es leída por un observador, una persona; todo lo que se necesita para la aparición del comportamiento clásico, para que la información aparezca allí, de modo que pueda considerarse en principio. "No es necesario que el sistema se estudie en un sentido formal", de modo que se convierta en uno clásico, dijo Jess Riedel , físico del Instituto de Perímetro de Física Teórica en Waterloo, un partidario de CD. "Se supone que el CD explica o ayuda a explicar toda la física clásica, incluidos los objetos macroscópicos cotidianos que existen fuera del laboratorio o que existen mucho antes de la aparición del hombre".

Hace diez años, cuando Riedel era un estudiante graduado de Zurek, en teoría demostraron que la información de un sistema cuántico simple e idealizado "deja una gran cantidad de copias en el entorno", dijo Riedel, "por lo que es suficiente acceder a una pequeña parte del entorno para descubrir el significado de las variables". . Calcularon que una mota de polvo con un diámetro de 1 μm, iluminada por el sol durante 1 μs, imprime información sobre su ubicación por cada 100 millones de fotones dispersos.

Es debido a esta redundancia que hay propiedades clásicas objetivas. Diez observadores pueden medir la ubicación de una mota de polvo y encontrarla en el mismo lugar, ya que todos tienen una copia separada de la información. En este sentido, podemos asignar una mota de polvo a una "ubicación" objetiva, no porque la "tenga" (lo que sea que eso signifique), sino porque el estado de su ubicación puede imprimir muchas de sus copias en el entorno, de modo que los observadores llegarán a un consenso.

Además, no necesita rastrear la mayor parte del entorno para recopilar casi toda la información posible, y no obtendrá ningún beneficio si rastrea más de un pequeño porcentaje del entorno. "La información que puede recopilar sobre el sistema se satura rápidamente", dijo Riedel.

Esta redundancia es un sello distintivo del CD, explicó Mauro Paternostro , físico de la Universidad de Queen en Belfast, quien participó en uno de los tres nuevos experimentos. "Esta propiedad caracteriza la transición a la imagen clásica", dijo.

El CD desafía el mito generalizado de la mecánica cuántica, como dice el físico teórico Adán Cabello, de la Universidad de Sevilla en España, a saber: que la transición entre el mundo cuántico y el clásico no está clara, y que la teoría cuántica no puede describir los resultados de las mediciones. Por el contrario, dice, "la teoría cuántica describe perfectamente la apariencia del mundo clásico".

La cuestión de cuán perfectamente perfecto permanece abierto. Algunos investigadores piensan que la decoherencia y el CD dan una descripción completa de la transición cuántica-clásica. Pero, aunque estas ideas intentan explicar por qué, a gran escala, la superposición desaparece y solo quedan propiedades concretas y "clásicas", la pregunta sigue siendo por qué las mediciones dan resultados únicos. Cuando se selecciona una ubicación específica de una partícula, ¿qué sucede con otras posibilidades que surgen de su descripción cuántica? ¿Eran reales en algún sentido? Los investigadores se ven obligados a atenerse literalmente a las interpretaciones filosóficas de la mecánica cuántica, porque nadie puede descubrir cómo obtener una respuesta a esta pregunta en un experimento.

Al laboratorio

En el papel, el CD se ve bastante convincente. Y hasta hace poco, eso era todo de lo que podía jactarse. Pero durante el año pasado, tres equipos de investigadores sometieron independientemente la teoría a pruebas experimentales, estudiando su característica principal: la forma en que los sistemas cuánticos imprimen sus copias en su entorno.

Los experimentos dependieron de la capacidad de rastrear en detalle exactamente qué información sobre el sistema cuántico se imprime en su entorno. Esto no se puede hacer en el caso, por ejemplo, cuando vuela una mota de polvo junto con innumerables miles de millones de moléculas de aire. Entonces, los dos equipos crearon un objeto cuántico en una especie de "entorno artificial", que contenía solo unas pocas partículas. Ambos experimentos, uno de los cuales fue realizado por Paternostro con colegas de la Universidad de Sapienza en Roma, y el otro por el experto en información cuántica Jian-Wei Pan y sus coautores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, utilizaron un solo fotón como sistema cuántico, y se jugaron varios fotones más. El papel del entorno, interactuando con él y enviando información sobre él.

Ambos equipos pasaron fotones a través de dispositivos ópticos combinándolos en varios grupos intrincados. Luego estudiaron los fotones del entorno para averiguar qué información sobre el estado indicativo del fotón del sistema que codificaron; en este caso, era la polarización (la orientación de los campos electromagnéticos oscilantes), una de las propiedades cuánticas que podría pasar a través del filtro de selección de CD.

La predicción clave de CD es el efecto de saturación. Casi toda la información que pueda recopilar sobre el sistema cuántico estará disponible si rastrea un número muy pequeño de partículas en el medio ambiente. "Cualquier pequeña fracción del entorno de interacción será suficiente para proporcionar la cantidad máxima de información clásica sobre el sistema observado", dijo Pan.

Dos equipos descubrieron exactamente eso. Las mediciones de solo un fotón del medio ambiente revelaron mucha información disponible sobre la polarización del fotón sistémico, y medir una fracción mayor de los fotones circundantes proporcionó información cada vez menos nueva. Incluso un solo fotón puede servir como un entorno que causa decoherencia y selección, explicó Pan, si interactúa bastante activamente con un solo fotón sistémico. Con interacciones más débiles, tendrá que rastrear una gran proporción del medio ambiente.


Fedor Zhelezko, Director del Instituto de Óptica Cuántica, Universidad de Ulm en Alemania.


Diamante sintético

La tercera verificación experimental de CD bajo la guía de un físico especializado en óptica cuántica, Fyodor Zhelezko del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad de Ulm en Alemania, en el que participaron Zurek y otros, utilizó un sistema y un entorno completamente diferentes. Consistían en un solo átomo de nitrógeno en lugar de un átomo de carbono en la red cristalina de diamante: el llamado vacante sustituida con nitrógeno en el diamante, o centro NV. Como hay un electrón más en el átomo de nitrógeno que en el átomo de carbono, el electrón en exceso no puede encontrar un par por sí mismo en los átomos de carbono vecinos y formar un enlace químico. Como resultado, un electrón no apareado desempeña el papel de un "giro" solitario, que es algo así como una flecha apuntando hacia arriba o hacia abajo, o, en el caso general, en una superposición de ambas direcciones.

La rotación puede interactuar magnéticamente con los núcleos de carbono que existen en el átomo como un isótopo de carbono 13, y constituyen aproximadamente el 0.3% del número total de átomos de carbono.Estos isótopos, a diferencia del carbono 12 más común, también tienen un giro. En promedio, cada giro del centro NV está fuertemente asociado con los cuatro giros de carbono-13 a una distancia de 1 nm.

Al controlar y rastrear los giros con láser y pulsos de radio, los investigadores pudieron medir cómo los cambios en el giro del nitrógeno responden a los cambios en los giros nucleares del medio ambiente. Como escribieron en una preimpresión en septiembre pasado, también vieron la redundancia característica predicha por el CD: el estado del espín de nitrógeno se "registra" en forma de copias múltiples en el medio ambiente, y la información sobre el espín se satura rápidamente con un aumento en el volumen del medio ambiente considerado.

Zurek dice que dado que los experimentos con fotones crean copias artificialmente, en forma de simulación del entorno real, no incluyen un proceso de selección que seleccione estados indicativos "naturales" que sean resistentes a la decoherencia. Los propios investigadores prescriben estados indicativos. En este caso, el entorno del diamante en realidad causa estados indicativos. "El esquema de diamantes tiene sus problemas debido al tamaño del medio ambiente", agregó Zurek, "pero al menos es natural".

Generalización del darwinismo cuántico.

Hasta ahora, el CD está aguantando. "Todos estos estudios han encontrado lo que se esperaba, al menos aproximadamente", dijo Zurek.

Riedel dice que difícilmente podría esperarse lo contrario: en su opinión, el CD es solo una aplicación exhaustiva y sistemática de la mecánica cuántica estándar a la interacción de un sistema cuántico con su entorno. Y aunque es casi imposible hacer la mayoría de las mediciones cuánticas, si las mediciones se simplifican lo suficiente, las predicciones serán claras, dijo: "CD es como una verificación interna de la teoría cuántica para la consistencia".

Pero aunque estos estudios, a primera vista, son consistentes con el CD, no pueden considerarse prueba de que esta teoría es la única descripción verdadera del proceso de creación del mundo clásico, o incluso que es completamente correcta. Para empezar, dice Cabello, los tres experimentos solo dan versiones esquemáticas de en qué consiste el entorno real. Además, los experimentos no excluyen otras formas de aparición de una imagen clásica del mundo. La teoría de la transmisión del espectro, desarrollada por Pavel Gorodetsky y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Gdansk en Polonia, por ejemplo, está tratando de generalizar el CD. La teoría de la propagación del espectro (que se ha desarrollado para varios casos idealizados hasta ahora) se refiere a los estados de un sistema cuántico enredado y su entorno, que proporcionan información objetivaque muchos observadores pueden obtener sin alterar el estado del sistema. En otras palabras, ella trata de garantizar no solo que diferentes observadores puedan acceder a copias del sistema en el entorno, sino también que durante el proceso de acceso no afecten a otras copias. Esta es también una propiedad de dimensiones verdaderamente "clásicas".

Gorodetsky y otros teóricos también están tratando de incorporar CD en una plataforma teórica que no requiere una separación arbitraria del mundo en un sistema y su entorno, sino que simplemente considera cómo emerge la realidad clásica de las interacciones de varios sistemas cuánticos. Paternostro dice que la tarea de encontrar métodos experimentales que puedan determinar las diferencias muy sutiles entre las predicciones de estas teorías puede ser difícil.

Aún así, los investigadores no se dan por vencidos, y ellos mismos deberían mejorar nuestra capacidad de estudiar los principios del mundo cuántico. "El mejor argumento para llevar a cabo estos experimentos es probablemente un buen ejercicio", dijo Riedel. "Una demostración directa de CD puede requerir mediciones muy complejas que extienden los límites de las capacidades de las tecnologías de laboratorio existentes". La única forma de entender lo que significan nuestras mediciones parece ser tomar mediciones de mejor calidad.