Mira hacia el futuro para entender el pasado.
Una alternativa a la visión del mundo de Newton promete explicar las rarezas de la física cuántica
A juzgar por la mejor de las teorías físicas, confundes el tiempo. En la relatividad general de Einstein no hay diferencia entre el pasado y el futuro, sin mencionar el concepto de "ahora". Además, no hay una dirección en la que el tiempo "fluya"; en cambio, el espacio y el tiempo simplemente existen en alguna estructura de cuatro dimensiones. Además, todas las leyes fundamentales de la física funcionan de la misma manera hacia adelante y hacia atrás.Estos hechos no son fáciles de aceptar porque contradicen nuestra percepción subjetiva del tiempo. Pero no se desanime: no son fáciles de tomar para los físicos, y esta tensión contradice la física no solo con el sentido común, sino también consigo misma. Y aunque los físicos hablan mucho sobre la simetría del tiempo, se permiten buscar las causas de los fenómenos que ocurren en el mundo, solo en el pasado y no en el futuro.
Así como la fijación de los extremos de una cuerda de guitarra determina sus vibraciones, el pasado lejano y el futuro lejano del Universo pueden influir en los eventos de hoy.Formulando explicaciones, la mayoría de nosotros pensamos en términos de Isaac Newton, establecido hace más de 300 años. Esta "mecánica newtoniana" toma el pasado como base y lo utiliza para resolver el futuro, explicando nuestro Universo paso a paso. Algunos investigadores incluso piensan en el universo como la salida de un programa de computadora. Tal imagen es una consecuencia natural de este esquema. Incluso después de que nuestro concepto del tiempo haya cambiado durante el siglo pasado, la mecánica newtoniana se ha mantenido de alguna manera en los sistemas físicos de creencias más populares.Pero aplicando el viejo sistema de pensamiento newtoniano sobre los nuevos efectos de escala cuántica, nos encontramos en situaciones que no se pueden explicar. Si estos fenómenos son inexplicables, entonces tal vez simplemente los estamos representando incorrectamente. Se ofrecen mejores explicaciones si estamos listos para tener en cuenta el futuro. Pero la mecánica newtoniana es inicialmente incapaz de tales explicaciones intemporales. Los programas de computadora funcionan en una dirección, y los intentos de combinar dos programas que funcionan en direcciones opuestas conducen a un atolladero de paradojas características de películas de viajes en el tiempo mal concebidas. Para mirar el futuro con la misma seriedad que el pasado, claramente necesitamos una alternativa a la mecánica newtoniana.Y lo tenemos. La mayoría de los físicos son conscientes de la existencia de un marco de referencia diferente, una alternativa en la que el espacio y el tiempo se analizan de manera imparcial. Esta llamada La mecánica lagrangiana también son raíces antiguas y se ha convertido en una herramienta necesaria en todas las áreas de la física fundamental. Pero incluso los físicos que usan este enfoque resisten el último paso obvio: presentar la mecánica lagrangiana no como un truco matemático, sino como una forma de explicar el mundo. Quizás no estamos tomando nuestras propias teorías lo suficientemente en serio.La mecánica de Lagrange no solo nos permite dar explicaciones basadas en el futuro. Ella los exige. Con respecto al pasado y al futuro por igual, esta mecánica evita paradojas y hace posibles nuevos métodos de explicación. Y puede ser exactamente el punto de vista que se requiere para el próximo avance.El primer paso para comprender la mecánica lagrangiana es desconectarse por completo del flujo del tiempo del newtoniano. Esto es más fácil de hacer considerando las regiones del espacio-tiempo de manera integral: considerando toda la longitud de una vez, y no como cuadros consecutivos de la película. Podemos representar el espacio-tiempo en forma de estructuras fijas de cuatro dimensiones no solo con espacios espaciales, sino también con marcos de tiempo: los límites iniciales y finales de la región.Toda la física clásica, desde la electricidad hasta los agujeros negros, puede expresarse a través del simple principio lagrangiano de minimizar la acción. Para usarlo en un segmento de espacio-tiempo, primero describe las limitaciones de los parámetros físicos a lo largo de toda su longitud. Luego, para cada conjunto de posibles eventos en este marco, calcule la magnitud de la "acción". El conjunto de eventos con la menor cantidad de acción es el que sucederá, teniendo en cuenta las limitaciones iniciales y algunos puntos técnicos.Por ejemplo, para un rayo de luz que viaja desde el punto A al punto B, la acción corresponde a la duración del tiempo de viaje. El camino será el más rápido, dados los obstáculos. Si argumenta de esta manera, el haz de luz se dobla en la superficie del vidrio para minimizar el tiempo de viaje. La mecánica lagrangiana en física cuántica funciona un poco diferente y conduce a la aparición de probabilidades en lugar de respuestas exactas, pero la esencia es la misma: las restricciones de espacio-tiempo se imponen simultáneamente.Según la lógica newtoniana, esto es extraño. El rayo de luz en el punto A prevé de alguna manera el futuro (sobre el punto B y los obstáculos futuros), tiene amplias capacidades computacionales (para contar varios caminos) y conocimiento (para elegir el más pequeño). Pero la extrañeza es solo una prueba de que el pensamiento newtoniano y el lagrangiano no se mezclan, y que probablemente no necesitemos atribuir rasgos humanos a la luz.En lugar de explicar los eventos solo sobre la base del pasado, la mecánica lagrangiana comienza con restricciones generales de límites, incluida la última. Si no impone una restricción final, para el punto de luz este punto es B, este enfoque no dará la respuesta correcta. Pero cuando se usa correctamente, el éxito de las matemáticas demuestra la prioridad lógica de las restricciones de límites: el límite de cualquier región del espacio-tiempo explica su contenido.El enfoque de Langrange proporciona la descripción más elegante y flexible de la física, y los físicos a menudo la prefieren. Pero, a pesar de la aplicabilidad de estos principios, incluso los físicos que los usan no los toman literalmente. Es difícil aceptar que los eventos se puedan explicar sobre la base de lo que está sucediendo en el futuro. Después de todo, hay diferencias obvias entre el pasado y el futuro. Y si la flecha del tiempo es tan obvia para nosotros, ¿cómo pueden afectar las restricciones futuras lo que está sucediendo a la par con el pasado?Pero hay una manera de conciliar la mecánica lagrangiana con nuestra experiencia diaria. Solo tenemos que pensar lo suficiente sin perder de vista los detalles.
La física es tiempo reversible. Si un foco ilumina una estatua, también se puede decir que una estatua ilumina un foco. Por lo general, no hacemos esto porque viola nuestras expectativas con respecto al significado de la palabra "explicación".Digamos que tomaste una foto de una estatua con un flash. Cada rayo de luz obedece el principio de menor acción, produciendo un camino perfectamente simétrico en el tiempo. Pero juntos muestran una asimetría obvia: las restricciones iniciales de A se juntan en un instante, y las restricciones finales se distribuyen sobre la estatua. Además, es obvio que la propagación de la luz desde A sirve como una explicación mucho mejor para la iluminación B que viceversa. Incluso si miramos los caminos de los rayos de luz en la dirección opuesta, nadie podría argumentar que la luz se concentra en el flash debido a los complejos patrones de luz en la estatua.De esto se puede inferir que las explicaciones satisfactorias prescinden de eventos complejos con métodos simples. Toman un hecho con varios parámetros relevantes para explicar la multitud de fenómenos. Esto debería ser obvio independientemente de la mecánica utilizada.Pero esta asimetría de A y B no refuta el punto de vista lagrangiano, que solo postula que A y B juntos explican mejor los detalles de lo que sucedió entre ellos. Incluso en la mecánica lagrangiana, A y B dependen el uno del otro. Para rastrear su conexión, echemos un vistazo más amplio. De acuerdo con el principio de limitaciones de la mecánica lagrangiana, las explicaciones no están alineadas en una cadena, sino que están integradas entre sí. En otras palabras, no estamos diciendo que el evento A condujo al evento B, que condujo al evento B. Estamos trabajando con una pequeña región del espacio-tiempo en su conjunto; entonces lo consideramos como parte de una región más grande (en espacio y tiempo). Aplicando la misma lógica lagrangiana, obtenemos que los límites más grandes deberían explicar todo dentro de ellos, incluidos los límites originales.Al ejecutar este procedimiento para la estatua, encontramos la misma asimetría del bulbo y la estatua en una escala ampliada. Es decir, estamos satisfechos con la descripción del flash de la cámara en el pasado, pero no explicamos la iluminación de la estatua, mirando hacia el futuro. Luego cerramos este sistema en uno aún más grande, y así sucesivamente, hasta que alcanzamos los límites cosmológicos, los límites externos del Universo. Hasta donde sabemos, se observa la misma asimetría a tales escalas: una distribución inusualmente suave de la materia durante el Big Bang y una distribución más aleatoria en el futuro.Si consideramos las regiones ordinarias del espacio-tiempo desde un punto de vista lagrangiano, el hecho de que los límites iniciales (rayos de luz que emanan de la lámpara de flash) sean más simples que los finales (estatuas iluminadas) prueba que nuestro límite cosmológico más cercano está en el pasado. Esta secuencia implica que en un futuro comparable no hay límites cosmológicos correspondientes. Y si tomas el Big Bang como la mejor explicación de las propiedades obvias del Universo, la dirección obvia del flujo del tiempo no difiere del gradiente de temperatura espacial que sientes cuando estás cerca de una ventana fría. En ninguno de estos casos el espacio o el tiempo serán asimétricos; es solo una cuestión de su ubicación en relación con el borde más cercano.En las escalas clásicas que solemos encontrar, no recibiremos nueva información de la frontera futura en comparación con la frontera del pasado. Si este fuera el caso en todas las escalas, la mecánica lagrangiana tendría problemas, porque la frontera futura no afectaría en absoluto. Pero esto no será así si descendemos al nivel de incertidumbre cuántica: los detalles del futuro microscópico no pueden derivarse del pasado. Es a escala cuántica que todas las posibilidades de la mecánica lagrangiana se hacen evidentes.
Historia enredada: en un experimento estándar de entrelazamiento cuántico, pares de partículas salen de una fuente y son medidas por detectores. Dos computadoras, Alice y Bob, generan números aleatorios para controlar los detectores. Los eventos del detector controlan lo que sucede en la fuente, aunque estén ubicados en el futuro.El entrelazamiento cuántico es un concepto que rechaza la mecánica newtoniana. Los detalles no son importantes para nosotros, por lo tanto, consideraremos la esencia general de un experimento típico sobre enredos. El aparato en el centro crea dos partículas. El izquierdo se envía a un detector controlado por la computadora de Alice, y el derecho se envía a un detector remoto controlado por la computadora de Bob. Los detectores miden sus partículas en una de varias formas determinadas por números aleatorios. Como lo demostró el físico irlandés John Bell en el famoso experimento de los años 60, los resultados de la medición están correlacionados de una manera que desafía la explicación habitual.Específicamente, el pasado total de las partículas se vuelve insuficiente para explicar las correlaciones medidas, al menos no para el espectro completo de medidas que Alice y Bob pueden seleccionar al azar. Por supuesto, muchos científicos quieren explicar esto desde un punto de vista físico y no les gusta tratar de hacerlo a través de las matemáticas puras. Dejados en malentendidos, comienzan a causar entidades misteriosas que realmente no existen en el espacio o en el tiempo (y ellas mismas requieren explicación) o incluso viajan más rápido que la luz (violando todo lo que sabemos sobre la teoría de la relatividad de Einstein).Si abandonamos estos intentos desesperados, todos estarán de acuerdo en que se podría encontrar una explicación natural solo si las partículas pudieran predecir los ajustes aleatorios de Alice y Bob por adelantado. Pero la mayoría de las propuestas para transmitir esta información a las partículas parecen aún más desesperadas, incluso hasta el punto de hacer trampa: las partículas parecen de alguna manera olfatear todos los datos de entrada de los generadores de números aleatorios y usar esta información para predecir la configuración futura del detector.Casi nadie considera que esto sea una explicación digna de los experimentos de enredos, ya que no aceptaría una explicación de la localización de la luz en una lámpara de flash, reflejada por las formas complejas de la estatua. Tales intentos violan nuestros estándares razonables de explicación: el mecanismo de operación propuesto es mucho más complicado que los simples resultados que está tratando de explicar.En el ejemplo de la estatua, la solución obvia sería buscar límites más simples, destellos, para la mejor explicación. Para el enredo cuántico, considerado desde el punto de vista de la mecánica lagrangiana, una explicación razonable será casi tan obvia. No afecta el trabajo preliminar complicado con la configuración del detector; consiste en configuraciones futuras del detector.Existen misteriosas partículas enredadas en la región neblinosa del espacio-tiempo en el futuro, y los límites de esta región incluyen su preparación y su detección por el detector. Los ajustes elegidos por Alice y Bob se implementan físicamente en los detectores en el límite final, exactamente donde la mecánica lagrangiana nos dice que busquemos explicaciones. Solo necesitamos permitir que las partículas se limiten a este límite en el futuro, e inmediatamente aparece una explicación simple de los experimentos de enredos. En este caso, el futuro, junto con el pasado, puede explicar mejor las observaciones.El enredo cuántico puede no ser el único misterio que puede resolverse considerando seriamente el futuro como una explicación. En otros fenómenos cuánticos, también se puede encontrar una explicación más simple que funciona en un espacio y tiempo simples sin ninguna acción desde la distancia. Es posible que las probabilidades en la teoría cuántica sean las mismas que las probabilidades en cualquier otro campo científico: existente debido a parámetros desconocidos para nosotros (ya que algunos de ellos lo serán en el futuro).Tal estudio planteará preguntas importantes. Si el futuro puede imponer restricciones sobre el pasado, ¿por qué las consecuencias se limitan a un nivel cuántico? ¿Por qué no podemos usar fenómenos cuánticos para enviar mensajes al pasado? ¿En qué escala dominan las restricciones cósmicas y cómo pueden generalizarse los enfoques lagrangianos para que todo funcione?Encontrar respuestas a ellas no solo puede ayudar a la física, sino también a comprender mejor cómo encajamos en nuestro universo de cuatro dimensiones. Por ejemplo, según la mecánica lagrangiana, los detalles microscópicos de cualquier región no están completamente limitados por los límites del pasado. A nivel atómico del cerebro, existen limitaciones importantes pero desconocidas en el futuro. Quizás este razonamiento incluso ayudará a comprender el libre albedrío, justificando cómo el futuro no está completamente determinado por el pasado. Esto requerirá que reconsideremos la idea de que hay una diferencia simple y obvia entre un pasado fijo y un futuro abierto.Casi cada vez que una ciencia encuentra una explicación más profunda, más simple y más satisfactoria, esto lleva a una cascada de otros descubrimientos científicos. Por lo tanto, si hay un nivel más profundo de fenómenos cuánticos que aún no hemos dominado, su desarrollo conducirá a avances críticos en una gran cantidad de tecnologías que usan efectos cuánticos. Los instintos erróneos obstaculizaron el progreso científico en el pasado, y nuestros instintos relacionados con el tiempo son quizás uno de los más fuertes. Pero hay una manera clara de explicar los secretos más profundos de la naturaleza, si tan solo podemos obligarnos a mirar hacia el futuro.Source: https://habr.com/ru/post/es396651/
All Articles