La nueva paradoja cuántica aclara en qué caso nuestras ideas sobre la realidad resultan ser erróneas.

Un nuevo experimento mental entusiasmó al mundo de los fundamentos de la física cuántica e hizo que los físicos aclararan cómo las diferentes interpretaciones de la teoría cuántica (multimundo o Copenhague) obligan a uno a abandonar supuestos aparentemente razonables con respecto a la realidad.

Si una moneda no puede caerse cara y cruz al mismo tiempo, los físicos deben dejar suposiciones simples sobre la naturaleza de la realidad.

Nadie argumenta que la mecánica cuántica es una teoría exitosa. Ella hace predicciones increíblemente precisas sobre la naturaleza del mundo a escala microscópica. El debate, que ha estado ocurriendo durante casi cien años, se refiere a lo que nos cuenta sobre la existencia y la realidad de los objetos. Hay un montón de interpretaciones que dan su respuesta a esta pregunta, cada una de las cuales requiere ciertas declaraciones, aunque no confirmadas, es decir, suposiciones, con respecto a la naturaleza de la realidad.

Un nuevo experimento mental desafía estos supuestos y sacude los cimientos de la física cuántica. Él, por supuesto, es él mismo extraño. Por ejemplo, requiere mediciones que pueden borrar cualquier recuerdo de una observación reciente. Esto no es posible con las personas, y las computadoras cuánticas podrían realizar un experimento tan extraño y, en teoría, encontrar las diferencias entre las diferentes interpretaciones de la física cuántica.

"Ocasionalmente, hay trabajo que genera un intenso debate, reflexión y discusión, y este es el caso", dijo Matthew Leifer , especialista en física cuántica de la Universidad Chapman en Orange, California. "Este experimento mental se agregará al canon de cosas extrañas que se encuentran en los fundamentos de la física cuántica".

El experimento fue desarrollado por Daniela Frauhiger y Renato Rener del Instituto Federal Suizo de Tecnología, e incluye un conjunto de supuestos, que a primera vista son bastante razonables. Sin embargo, conduce a contradicciones, lo que sugiere que al menos uno de los supuestos es incorrecto. Elegir el supuesto incorrecto afecta nuestra comprensión del mundo cuántico y apunta a la posibilidad de que la mecánica cuántica no sea una teoría universal, no aplicable a sistemas complejos, como las personas.

La física cuántica es conocida por las interpretaciones divergentes de las ecuaciones utilizadas para describir lo que está sucediendo en el mundo cuántico. Pero en un nuevo experimento mental, todas las interpretaciones sufren de inmediato. Cada uno de ellos contradice una u otra suposición. ¿Podemos esperar algo completamente nuevo en busca de una descripción coherente de la realidad?



La teoría cuántica funciona muy bien en la escala de fotones, electrones, átomos, moléculas e incluso macromoléculas. Pero, ¿es aplicable a sistemas que superan con creces el tamaño de las macromoléculas? "No hemos confirmado experimentalmente la aplicabilidad de la mecánica cuántica a mayor escala; grande se refiere al tamaño del orden de un virus o célula pequeña", dijo Renner. "En particular, no sabemos si se aplica a objetos del tamaño de personas, o incluso más a objetos del tamaño de agujeros negros".

A pesar de la falta de evidencia empírica, los físicos creen que la mecánica cuántica se puede utilizar para describir sistemas a todas las escalas, es decir, que es universal. Para probar esta suposición, Frauhiger y Rener idearon su propio experimento mental, ampliando el trabajo de Eugene Wigner en la década de 1960. Un nuevo experimento muestra que en el mundo cuántico dos personas pueden estar en desacuerdo sobre un resultado aparentemente indiscutible, por ejemplo, una moneda que se cae, lo que sugiere que falta algo en los supuestos sobre la realidad cuántica.

En la mecánica cuántica estándar, un sistema cuántico, como una partícula subatómica, está representado por una abstracción matemática llamada función de onda. Los físicos calculan la evolución de la función de onda de una partícula en el tiempo.


Eugene Wigner, físico y matemático estadounidense de ascendencia húngara, premio Nobel de física en 1963, es una de las figuras clave en el desarrollo de la teoría cuántica.

Sin embargo, la función de onda no nos da el valor exacto de las propiedades de la partícula, por ejemplo, su ubicación. Incluso si queremos saber dónde está la partícula, el valor de su función de onda en cualquier momento en el espacio y el tiempo nos permite calcular solo la probabilidad de detectar una partícula en este lugar. Y antes de buscarlo en este lugar, la función de onda se distribuye y asigna diferentes probabilidades de encontrar la partícula en diferentes lugares. Se dice que la partícula está en superposición cuántica, estando presente en muchos lugares al mismo tiempo.

En el caso general, un sistema cuántico puede estar en una superposición de estados, donde el "estado" se refiere a otras propiedades, por ejemplo, al giro de una partícula. El experimento mental Frauchiger-Rener manipula objetos cuánticos complejos, tal vez incluso personas, que están en superposición.

Hay cuatro personajes en el experimento: Alice, la amiga de Alice, Bob y la amiga de Bob. La amiga de Alice está en el laboratorio, tomando medidas del sistema cuántico, y Alice está parada afuera, observando el laboratorio y al otro. El amigo de Bob está en un laboratorio diferente, y Bob lo supervisa a él y al laboratorio, considerándolos un sistema.

En el primer laboratorio, la amiga de Alice mide los resultados de un experimento que arroja una moneda, que está diseñada para que un águila deje caer la moneda en un tercio de los casos y la cola en dos tercios de los casos. Si cae un águila, el amigo de Alice hace una partícula con el giro apuntando hacia abajo, y si por colas, prepara la partícula en una superposición, en la que las espaldas se dirigen hacia arriba y hacia abajo simultáneamente en proporciones iguales.

La amiga de Alice envía una partícula a la amiga de Bob, y él mide su giro. Según el resultado, el amigo de Bob puede concluir lo que vio el amigo de Alice después del lanzamiento de la moneda. Si, por ejemplo, descubre una partícula con un giro apuntando hacia arriba, sabe que las colas han caído.



El experimento continúa. Alice mide el estado de su amiga y laboratorio, considerándolos un sistema cuántico único, y usa la teoría cuántica para hacer predicciones. Bob hace lo mismo con su amigo y el laboratorio. El primer supuesto: el actor puede analizar otro sistema, incluso uno complejo, en el que otras personas participan, utilizando la mecánica cuántica. En otras palabras, la teoría cuántica es universal, y todo en el universo, incluido todo el laboratorio (y los científicos dentro de ellos) funciona de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica.

Esta suposición le permite a Alice considerar a su amiga y al laboratorio como un solo sistema y hacer ciertas mediciones que colocan a todo el laboratorio, incluido su contenido, en una superposición de estados. Esta no es una medida simple, lo que hace que el experimento sea extraño.

La forma más fácil de comprender este proceso es examinando un solo fotón en una superposición de polarizaciones horizontales y verticales. Supongamos que medimos la polarización y descubrimos que es vertical. Ahora, si continuamos midiendo la polarización del fotón, será vertical todo el tiempo. Pero si medimos un fotón polarizado verticalmente para descubrir si está polarizado en otra dirección, por ejemplo, a 45 grados de la vertical, encontraremos que hay un 50% de probabilidad de que sea así, y un 50% de probabilidad que no lo es Ahora, si volvemos a medir lo que pensamos que era un fotón polarizado verticalmente, encontramos que existe la posibilidad de que ya no esté polarizado verticalmente y haya adquirido polarización horizontal. Una medición de polarización de 45 grados devolvió el fotón a una superposición de polarizaciones horizontales y verticales.

Todo esto funciona bien para una sola partícula, y tales mediciones se han confirmado con éxito en experimentos reales. Pero en un experimento mental, Frauhiger y Rener quieren hacer algo similar con sistemas complejos.

En esta etapa del experimento, la amiga de Alice ya vio cómo la moneda cayó por un águila o una cola. Pero las complejas mediciones de Alice llevan al laboratorio, incluida su amiga, a un estado de superposición de águila y cola. En un estado tan extraño, no se requiere nada más de la amiga de Alice.


Renato Rener, físico de un instituto suizo, presentó una paradoja junto con Daniela Frauhiger, quien abandonó la institución poco después de su trabajo conjunto.

Pero Alice aún no ha terminado. Con base en su medición compleja, cuyo resultado puede representarse simplemente como "sí" o "no", puede conocer el resultado de las mediciones realizadas por el amigo de Bob. Supongamos que Alice responde que sí. Usando la mecánica cuántica, puede calcular que el amigo de Bob encontró que la partícula giraba hacia arriba y, por lo tanto, el amigo de Alice vio caer las colas.

Esta observación de Alice implica otra suposición sobre su uso de la teoría cuántica. Ella no solo conoce este resultado, sabe cómo exactamente el amigo de Bob usó la teoría cuántica para llegar a su conclusión sobre el resultado del lanzamiento de la moneda. Alice también hace esta conclusión. El supuesto de coherencia establece que las predicciones hechas por diferentes individuos usando la teoría cuántica no se contradicen entre sí.

Mientras tanto, Bob puede tomar el laboratorio de laboratorio de su amigo con la misma dimensión compleja colocándolos en una superposición cuántica. La respuesta puede ser nuevamente sí o no. Si Bob responde "sí", la medición le permite concluir que el amigo de Alice debería haber visto el águila en la moneda.

Está claro que Alice y Bob pueden tomar medidas y comparar sus suposiciones sobre el resultado del lanzamiento de la moneda. Pero aquí se usa una suposición más: si las mediciones de la cara dicen que la moneda se ha ido, entonces el hecho opuesto, la pérdida de un águila, no puede ser cierto.

Ahora todo está listo para una contradicción. Cuando Alice recibe un "sí" en la dimensión, ella supone que la moneda se ha ido, y cuando Bob recibe "sí", él supone que la moneda ha caído con un águila. La mayoría de las veces, Alice y Bob obtienen resultados opuestos. Pero Frauhiger y Rener mostraron que en un caso de cada doce, Alice y Bob recibirían "sí" en el mismo caso, como resultado de lo cual no estarían de acuerdo si el amigo de Alice viera un águila o una cola. "Como resultado, ambos hablan sobre el evento, ambos están seguros del resultado, pero sus declaraciones son opuestas", dijo Rener. - Esto es una contradicción. Esto sugiere que algo está mal ".

Esto permitió a Frauhiger y Rener afirmar que uno de los tres supuestos subyacentes al experimento mental es incorrecto.



“Y aquí la ciencia se detiene. Simplemente sabemos que uno de los tres está equivocado, y no podemos probar convincentemente cuál está siendo violado ", dice Rener. "Es una cuestión de interpretación y gusto".

Afortunadamente, hay un coche de interpretaciones de la mecánica cuántica , y casi todas hablan de lo que sucede con la función de onda en el momento de la medición. Toma la posición de la partícula. Antes de la medición, solo podemos hablar sobre la probabilidad de encontrarlo en algún lugar. Después de la medición, la partícula toma una cierta posición. En la interpretación de Copenhague, la medición hace que la función de onda colapse, y no podemos hablar de las propiedades de una partícula como su posición antes de la medición. Algunos físicos creen que la interpretación de Copenhague afirma que las propiedades no son reales hasta el momento de la medición.

Esta forma de "antirrealismo" era ajena a Einstein, como algunos físicos modernos. Al igual que el concepto de una dimensión que hace colapsar la función de onda, especialmente porque la interpretación de Copenhague no dice qué se puede considerar exactamente una dimensión. Las interpretaciones alternativas de la teoría básicamente tratan de presentar un enfoque realista, donde los sistemas cuánticos tienen propiedades que son independientes de los observadores y las mediciones, o para evitar el colapso causado por la medición, o ambos a la vez.

Por ejemplo, una interpretación multimundo toma al pie de la letra la evolución de una función de onda y niega su colapso. Si un lanzamiento cuántico de una moneda puede conducir a un águila o a una cola, entonces, en el caso de varios mundos, suceden uno y otro, solo en mundos diferentes. Entonces, la suposición de que hay un resultado del experimento, que si una moneda cae por las colas, no puede caer simultáneamente por un águila, se vuelve insolvente. En una interpretación mundial, el resultado del lanzamiento de una moneda es tanto un águila como una cruz, por lo que el hecho de que Alice y Bob a veces obtengan respuestas opuestas no es una contradicción.


La suposición de la universalidad de la teoría cuántica es violada por interpretaciones en las que las funciones cuánticas de sistemas complejos colapsan espontáneamente.
Los supuestos de interpretación son violados por interpretaciones como el bayesianismo cuántico , en el que los resultados de la medición dependen del punto de vista del observador.
La suposición de la imposibilidad de resultados opuestos es violada por interpretaciones multimundo.

"Tengo que admitir que si me preguntaste hace dos años, diría que nuestro experimento simplemente muestra que la interpretación multivariante funciona bien, y solo tienes que descartarla", dijo Rener, el requisito de que las mediciones den un solo resultado.

El físico teórico David Deutsch de la Universidad de Oxford sostiene la misma opinión, quien se enteró del trabajo de Frauhiger-Rener cuando apareció en el sitio arxiv.org . En esa versión del trabajo, los autores se inclinaron hacia un escenario con muchos mundos (la última versión del trabajo, que fue evaluada y publicada por expertos en septiembre en Nature Communications, adopta un enfoque más agnóstico). Deutsch cree que un experimento mental todavía admite una interpretación multimundo. "Creo que es probable que mate opciones con el colapso de la función de onda o de un solo universo, pero ya están muertos", dijo. "No estoy seguro de cuál es el punto de atacarlos nuevamente con artillería más grande".



Rener cambió su punto de vista. Él cree que lo más probable es que la suposición de la universalidad de la mecánica cuántica sea incorrecta.

Este supuesto, por ejemplo, es violado por el llamado Las teorías del colapso espontáneo, que defienden, como su nombre lo indica, el colapso aleatorio espontáneo de la función de onda, independiente de las mediciones. Estos modelos garantizan que los sistemas cuánticos pequeños, como las partículas, pueden permanecer en superposición casi para siempre, pero cuanto más masivos se vuelvan los sistemas, mayor será la probabilidad de su colapso espontáneo en un estado clásico. Las mediciones simplemente detectan el estado de un sistema colapsado.

En las teorías del colapso espontáneo, la mecánica cuántica no puede aplicarse a sistemas con una masa mayor que el umbral. Y aunque estos modelos aún no se han verificado empíricamente, nadie los ha refutado todavía.

Nicholas Gizin, de la Universidad de Ginebra, prefiere las teorías del colapso espontáneo como una forma de resolver la contradicción en el experimento Frauhiger-Rener. "Mi forma de salir de su dificultad es decir: No, en algún momento el principio de superposición ya no funciona", dice.

Si desea adherirse a la suposición de la aplicabilidad universal de la teoría cuántica y una versión única de las mediciones, entonces debe abandonar la última suposición, por coherencia: "las predicciones de varios actores que usan la teoría cuántica no pueden contradecirse entre sí".

Utilizando una versión ligeramente modificada del experimento Frauchiger-Rener, Leifer demostró que esta última suposición, o su variante, tendría que ser abandonada si las teorías de Copenhague fueran correctas. En su análisis, estas teorías tienen atributos comunes: son universalmente aplicables, antirrealistas (es decir, hablan de la ausencia de ciertas propiedades de los sistemas cuánticos, como la posición, antes de la medición) y son completas (no hay una realidad oculta que la teoría no pueda describir). Dados estos atributos, su trabajo afirma que la dimensión dada no tiene un solo resultado que sea objetivamente cierto para todos los observadores. Entonces, si un detector hace clic en el laboratorio de la amiga de Alice, esto sería un hecho objetivo para ella, pero no para Alice, que estaba fuera del laboratorio y simuló todo utilizando la teoría cuántica. Los resultados de la medición dependen del punto de vista del observador.

"Si desea apoyar el punto de vista de Copenhague, entonces la mejor manera sería cambiar a esta versión de diferentes perspectivas", dijo Leifer. Señala que algunas interpretaciones, como el bayesianismo cuántico o KBism, ya han llevado al observador el enfoque de subjetividad del resultado de la medición.

Rener cree que abandonar esta suposición destruirá la capacidad de los actores para descubrir lo que otros saben; Dicha teoría simplemente puede descartarse como solipsismo . Cualquier teoría que se mueva en la dirección de la subjetividad de los hechos debe redefinir de alguna manera el método de transferencia de conocimiento para que satisfaga dos limitaciones opuestas. Debería ser lo suficientemente débil como para no provocar la paradoja observada en el experimento Frauhiger-Rener. Pero debe ser lo suficientemente fuerte como para no ser acusado de solipsismo. Hasta ahora, nadie ha sido capaz de formular una teoría similar que satisfaga a todos.



El experimento Frauhiger-Rener da lugar a contradicciones entre tres supuestos aparentemente razonables. Los intentos de explicar cómo las diferentes interpretaciones de la teoría cuántica violan estos supuestos fueron "ejercicios extremadamente útiles", dijo Rob Speckens, del Instituto de Física Teórica, Perímetro de Canadá.

"Este experimento mental es una gran lente a través de la cual puedes explorar las diferencias de opinión entre diferentes campos que profesan interpretaciones de la teoría cuántica", dijo Speckens. - No creo que haya eliminado las opciones respaldadas por personas antes, pero descubrió exactamente lo que los diferentes campos de interpretación deberían creer para evitar contradicciones. Ayudó a aclarar las actitudes de las personas con respecto a algunos de estos problemas ".

Dado que los teóricos no pueden separar las interpretaciones, los experimentadores están pensando en cómo implementar este experimento mental, con la esperanza de aclarar el problema. Pero esta no será una tarea fácil, porque el experimento plantea requisitos extraños. Por ejemplo, cuando Alice toma una dimensión especial de su amiga y laboratorio, coloca todo, incluido el cerebro de su amiga, en una superposición de estados.

Matemáticamente, esta medición compleja es equivalente al hecho de que primero revertimos el desarrollo temporal del sistema, es decir, se borra la memoria del actor y el sistema cuántico (la partícula que midió) vuelve a su estado original, y luego llevamos a cabo una medición más simple de solo una partícula, dijo Howard Wisemande la Universidad Griffith de Australia. La medición puede ser simple, pero, como Gizin señala muy cortésmente, "invertir el personaje, incluido su cerebro y memoria, es una parte sensible del experimento".

Sin embargo, Gizin no niega que, tal vez, algún día este experimento pueda llevarse a cabo utilizando computadoras cuánticas complejas, como actores dentro de los laboratorios (interpretando los roles de amigos de Alice y Bob). En principio, el desarrollo temporal de una computadora cuántica puede revertirse. Una posibilidad es que tal experimento reproduzca las predicciones de la mecánica cuántica estándar al mismo tiempo que las computadoras cuánticas se vuelven más complejas. O tal vez no."Otra alternativa es que en algún momento, mientras desarrollamos computadoras cuánticas, nos toparemos con la restricción del principio de superposición, y descubriremos que la mecánica cuántica no es universal", dijo Gizin.

Leifer aboga por algo nuevo. "Creo que la interpretación correcta de la mecánica cuántica no será similar a ninguna de las anteriores", dijo.

Compara la situación actual con la mecánica cuántica con los tiempos anteriores a la aparición de Einstein con su teoría especial de la relatividad. Los experimentadores no encontraron signos del éter luminífero. "- el medio a través del cual se pensaba que las ondas de luz se propagaban en el universo newtoniano. Einstein argumentó que el éter no existe. Mostró que el espacio y el tiempo son cambiables." Antes de Einstein era imposible pensar que la estructura del espacio y el tiempo cambiarían ", - dijo Leifer

Él cree que la mecánica cuántica se encuentra ahora en una situación similar. "Es posible que estemos haciendo suposiciones incondicionales sobre cómo se debe construir el mundo, que en realidad están equivocadas", dijo. "Cuando los cambiemos, cuando cambiemos nuestras suposiciones, todo de repente caerá en su lugar". Eso espero. Cualquier persona que sea escéptica sobre todas las interpretaciones de la mecánica cuántica debería razonar de esta manera. ¿Puedo contarle sobre un candidato adecuado para tal suposición? Si pudiera, trabajaría en esta teoría ".