Descubren los principios físicos subyacentes en el denominado ‘darwinismo cuántico’

La interacción de un sistema a esa escala microscópica con el medio efectúa una especie de “selección natural” y hace que, de los diversos comportamientos posibles en ese mundo, solamente los que son compatibles con el escenario clásico sobrevivan a escala macroscópica. Y en el marco de una nueva investigación, se demostró qué es necesario para que ello suceda

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – A escala atómica y subatómica, los objetos exhiben conductas que constituyen un desafío a la visión clásica del mundo, basada en las interacciones cotidianas con la realidad macroscópica. Un ejemplo bastante conocido de ello entre varios otros reside en el hecho de que los electrones pueden mostrar comportamientos tanto de partículas como de ondas en función del contexto experimental de la observación. Para explicar estos datos, que parecían pone en jaque a la física heredada de los siglos anteriores, científicos de la estatura de Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885-1962), Erwin Schrödinger (1887-1961), David Bohm (1917-1992) y otros postularon modelos autoconsistentes, pero que portan interpretaciones contradictorias.

Los grandes debates que acompañaron a la formulación de la teoría cuántica, protagonizados principalmente por Einstein y Bohr, no desembocaron en resultados concluyentes. Y los físicos de las generaciones posteriores en su mayoría pasaron a utilizar ecuaciones a menudo derivadas de andamiajes teóricos conflictivos sin preocuparse demasiado con los conceptos filosóficos subyacentes. Las ecuaciones “funcionaban”, y eso parecía ser suficiente. Diversos artefactos tecnológicos hoy en día triviales se fabricaron con base en las aplicaciones prácticas de la teoría cuántica.

Pero el acto de cuestionar es inherente a la naturaleza humana. Y un cuestionamiento importante que se planteó posteriormente se refería al porqué de que los extraños y contraintuitivos comportamientos de los experimentos cuánticos no se manifestaban en el mundo macroscópico. Para contestar esta pregunta, o para esquivarla, el físico polaco Wojciech Zurek (nacido en el año 1951) desarrolló el concepto de “darwinismo cuántico”. 

Grosso modo, esta hipótesis sostiene que la interacción de un sistema físico con su ambiente selecciona ciertas conductas y descarta otras. Y que los comportamientos producidos por este tipo de “selección natural” son precisamente aquellos que corresponden a la descripción clásica.

Así las cosas, cuando alguien lee este texto, por ejemplo, sus ojos reciben fotones que interactuaron con la pantalla de su computadora o la de su smartphone. Los ojos de otra persona, desde otra perspectiva, recibirán otros fotones. Empero, y pese a que las partículas de la pantalla tienen sus propios comportamientos extraños, que podrían desembocar en imágenes completamente distintas entre sí, la interacción con el medio selecciona únicamente un tipo de conducta y descarta las restantes, de manera tal que ambas lecturas terminen teniendo como resultado el mismo texto.

Esta línea de investigación teórica se llevó adelante con un grado mayor aún de abstracción y generalización en el marco de un estudio del físico brasileño Roberto Baldijão. El artículo al respecto, publicado en el Quantum Journal, forma parte de su investigación doctoral, dirigida por Marcelo Terra Cunha, docente del Instituto de Matemática, Estadística y Computación Científica de la Universidad de Campinas (IMECC-Unicamp), en Brasil. También suscriben el mismo Markus Müller, supervisor de la pasantía de investigación de Baldijão en la Österreichische Akademie der Wissenschaften, en Viena, Austria, y otros coautores.

“El darwinismo cuántico fue postulado como un mecanismo tendiente a obtener la objetividad clásica a la que estamos acostumbrados con base en sistemas inherentemente cuánticos. En nuestro trabajo investigamos qué principios físicos sostendrían la existencia de dicho mecanismo”, dice Baldijão.

Para llevar a cabo su investigación, el doctorando adoptó un formalismo conocido con el nombre de Teorías Generalizadas de las Probabilidades (GPT, de la expresión en inglés Generalized Probabilistic Theories). “Este formalismo permite describir matemáticamente distintas teorías físicas a los efectos de compararlas. Y hace posible así entender también qué teorías responden a ciertos principios físicos. La teoría cuántica y la teoría clásica son dos ejemplos de GPT, pero es posible describir muchas otras”, informa.

Según Baldijão, el trabajo con el formalismo de GPT es sumamente conveniente, pues permite obtener resultados válidos aun cuando en algún momento haya que abandonar la teoría cuántica. Asimismo, hace posible aprender más aún sobre el formalismo cuántico, al compararlo con aquello que no es. Sería posible intentar arribar nuevamente a la teoría cuántica a partir de principios físicos más sencillos, sin asumirla de entrada, por ejemplo. “Con base en el formalismo de GPT, podemos responder la pregunta sobre qué principios hacen posible la existencia de ‘darwinismo’, sin necesidad de hacer referencia a la teoría cuántica”, afirma.

El paradójico resultado que el científico obtuvo en su investigación teórica indicó que, para que aparezca el escenario clásico mediante “selección natural” en teorías que presenten ciertas características no clásicas debe exhibirse el “entrelazamiento”. “En efecto, resulta sorprendente que la manifestación de comportamientos clásicos vía ‘darwinismo’ dependa de una propiedad notablemente no clásica como el entrelazamiento”, comenta Baldijão.

Tal como se sabe, el entrelazamiento es una propiedad esencial de la teoría cuántica. Se produce cuando se generan o interactúan partículas de manera tal que el estado cuántico de cada una de ellas no puede describirse independiendo de las otras, pues el mismo depende del conjunto.

El ejemplo más famoso de entrelazamiento es el experimento mental conocido como EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Se hacen necesarios algunos párrafos para explicarlo. En una versión simplificada de este experimento, David Bohm imaginó una situación en la cual dos electrones interactuaban y posteriormente se apartaban a una distancia arbitrariamente grande. La distancia existente entre la Tierra y la Luna, por ejemplo.

De medirse el espín de uno de ellos, podría obtenerse el espín apuntando arriba o abajo, ambos con la misma probabilidad. Sin embargo, por el modo en que interactuaron, los electrones quedan apareados. Es decir, de medirse los espines de ambos electrones en una misma dirección, siempre se obtendrá uno con el espín apuntando arriba y el otro con el espín apuntando abajo, sin importar la dirección que se elija para efectuar la medición.

De este modo, aun cuando no se sepa cuál de ambos electrones tendrá espín apuntando arriba y cuál tendrá espín apuntando abajo, se sabe que los resultados siempre serán opuestos, debido al entrelazamiento de las dos partículas.

Con este experimento mental, Einstein pretendía demostrar a decir verdad que el formalismo de la teoría cuántica estaba incompleto. Sucede que, desde su óptica, el entrelazamiento suponía que la información entre las dos partículas viajaba a una velocidad infinita, cosa que, de acuerdo con la teoría de la relatividad, era imposible. En efecto, ¿cómo podrían “saber” las partículas distantes hacia dónde debería apuntar su espín para generar resultados opuestos? Su idea indicaba que había variables ocultas que operaban localmente en las bambalinas cuánticas y que, si se considerasen esas variables en una teoría más abarcadora, la visión clásica del mundo se reconstruiría.

Albert Einstein murió en 1955. Casi una década después, y en cierta medida, su argumento cayó por tierra con el teorema de John Bell (1928-1990), quien demostró que la hipótesis de que una partícula posee valores definitivos, independientes del proceso de observación, y de que es imposible la comunicación inmediata a distancia, no es compatible con la teoría cuántica. En otras palabras, la no ubicación que caracteriza al entrelazamiento no sería un defecto sino una característica fundamental de la teoría cuántica.

Asimismo, cualquiera sea su interpretación teórica, la existencia empírica del entrelazamiento quedó demostrada en diversos experimentos posteriores. Y hoy en día, la preservación del entrelazamiento constituye el principal desafío con la mira puesta en el desarrollo de la computación cuántica, pues los sistemas cuánticos tienden a perder coherencia rápidamente cuando interactúan con el medio. Esta constatación acerca el tema nuevamente al “darwinismo”.

“En nuestro trabajo demostramos que si una GPT exhibe decoherencia es porque existe una transformación en la teoría que puede poner en marcha el proceso de ‘darwinismo’ ideado que consideramos. En esa misma línea, si una teoría posee la estructura suficiente para la concreción de la computación reversible –es decir, una computación que podamos deshacer–, entonces también existe una transformación capaz de implementar el ‘darwinismo’. Esto es sumamente interesante teniendo en cuenta las aplicaciones computacionales de GPT”, dice Baldijão.

Un resultado complementario de este estudio consistió en describir un ejemplo de “darwinismo no cuántico”, en extensiones de un modelo denominado “teoría del juguete de Spekkens”, propuesto en 2004 por el físico Robert Spekkens, actualmente investigador sénior del Perimeter Institute for Theoretical Physics, en Canadá. Este modelo es bastante importante en la investigación en profundidad de los fundamentos de teoría cuántica, ya que es capaz de reproducir muchos comportamientos cuánticos con base en nociones bastante clásicas.

“Este modelo no exhibe ningún tipo de no ubicación y es incapaz de violar cualquier desigualdad de Bell. Nosotros demostramos que puede exhibir ‘darwinismo’. Por añadidura, este ejemplo también muestra que las condiciones que encontramos para asegurar la presencia de ‘darwinismo’ –a saber, estructura para la decoherencia o para la computación reversible–, pese a ser suficientes, no son necesarias para que este proceso suceda en GPT”, subraya Baldijão.

“La teoría cuántica puede considerarse una generalización de la teoría de probabilidades, pero está lejos de ser la única posible. Uno de los grandes desafíos en nuestra área de investigación consiste en entender cuáles son las propiedades que distinguen a las teorías clásica y cuántica dentro de ese océano de teorías posibles. Este proyecto de doctorado de Baldijão fue para explicar de qué manera el llamado ‘darwinismo cuántico’ podría eliminar uno de los rasgos más claramente no clásicos de la teoría cuántica: la contextualidad, que abarca a la noción de entrelazamiento”, resume Terra Cunha, el director de la investigación.

Y añade: “En su pasantía de investigación en el exterior, en el grupo de Markus Müller, en Viena, Baldijão trabajó con algo aún más general, el proceso de ‘darwinismo’ en las llamadas Teorías Generalizadas de las Probabilidades. Sus resultados ayudan a entender mejor la dinámica de ciertos tipos de teorías, al demostrar que el ‘darwinismo’, capaz de preservar únicamente a los más adaptados para generar un mundo clásico, no es un proceso exclusivamente cuántico”.

Puede leerse el artículo intitulado Quantum Darwinism and the spreading of classical information in non-classical theories en el siguiente enlace: quantum-journal.org/papers/q-2022-01-31-636/.