Física cuántica: nuestro estudio sugiere que la realidad objetiva no existe

Física cuántica: nuestro estudio sugiere que la realidad objetiva no existe
Gearoid Hayes / Flickr, CC BY-SA

Los hechos alternativos son propagándose como un virus en toda la sociedad. Ahora parece que incluso han infectado la ciencia, al menos el reino cuántico. Esto puede parecer contrario a la intuición. Después de todo, el método científico se basa en las nociones confiables de observación, medición y repetibilidad. Un hecho, según lo establecido por una medición, debe ser objetivo, de modo que todos los observadores puedan estar de acuerdo con él.

Pero en un artículo recientemente publicado en Science Advances, mostramos que, en el micromundo de átomos y partículas que se rige por las extrañas reglas de la mecánica cuántica, dos observadores diferentes tienen derecho a sus propios hechos. En otras palabras, de acuerdo con nuestra mejor teoría de los componentes básicos de la naturaleza misma, los hechos pueden ser subjetivos.

Los observadores son jugadores poderosos en el mundo cuántico. Según la teoría, las partículas pueden estar en varios lugares o estados a la vez, esto se llama superposición. Pero curiosamente, este es solo el caso cuando no se observan. En el segundo que observa un sistema cuántico, selecciona una ubicación o estado específico, rompiendo la superposición. El hecho de que la naturaleza se comporta de esta manera se ha demostrado varias veces en el laboratorio, por ejemplo, en el famoso experimento de doble rendija (ver video a continuación).

En 1961, físico Eugene Wigner propuso un experimento de pensamiento provocativo. Se preguntó qué sucedería al aplicar la mecánica cuántica a un observador que se está observando.

Imagine que un amigo de Wigner arroja una moneda cuántica, que está en una superposición de caras y colas, dentro de un laboratorio cerrado. Cada vez que el amigo tira la moneda, observan un resultado definitivo. Podemos decir que el amigo de Wigner establece un hecho: el resultado del lanzamiento de la moneda es definitivamente cabeza o cola.

Wigner no tiene acceso a este hecho desde el exterior, y de acuerdo con la mecánica cuántica, debe describir al amigo y la moneda para estar en una superposición de todos los resultados posibles del experimento. Eso es porque están "enredados" - conectado espeluznantemente de modo que si manipulas uno, también manipulas el otro. Wigner ahora puede, en principio, verificar esta superposición utilizando el llamado "experimento de interferencia"- un tipo de medición cuántica que le permite desentrañar la superposición de un sistema completo, confirmando que dos objetos están enredados.


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Cuando Wigner y el amigo comparen las notas más adelante, insistirán en que vieron resultados definitivos para cada lanzamiento de moneda. Wigner, sin embargo, no estará de acuerdo cada vez que observe a un amigo y una moneda en una superposición.

Esto presenta un enigma. La realidad percibida por el amigo no puede conciliarse con la realidad del exterior. Wigner originalmente no consideraba esta gran paradoja, argumentó que sería absurdo describir a un observador consciente como un objeto cuántico. Sin embargo, él más tarde partió de esta vista, y de acuerdo con los libros de texto formales sobre mecánica cuántica, la descripción es perfectamente válida.

El experimento

El escenario ha sido durante mucho tiempo un interesante experimento mental. ¿Pero refleja la realidad? Científicamente, ha habido poco progreso en esto hasta hace muy poco, cuando Časlav Brukner en la Universidad de Viena demostró que, bajo ciertos supuestos, la idea de Wigner se puede usar para demostrar formalmente que las mediciones en mecánica cuántica son subjetivas para los observadores.

Brukner propuso una forma de probar esta noción traduciendo el escenario amigo de Wigner en un marco primero establecido por el físico John Bell en 1964. Brukner consideró dos pares de Wigners y amigos, en dos cajas separadas, realizando mediciones en un estado compartido, dentro y fuera de su caja respectiva. Los resultados se pueden resumir para ser utilizados en última instancia para evaluar un llamado "Desigualdad de campana". Si se viola esta desigualdad, los observadores podrían tener hechos alternativos.

Ahora, por primera vez, realizamos esta prueba experimentalmente en la Universidad Heriot-Watt de Edimburgo en una computadora cuántica a pequeña escala compuesta por tres pares de fotones enredados. El primer par de fotones representa las monedas, y los otros dos se utilizan para lanzar la moneda, midiendo la polarización de los fotones, dentro de su respectiva caja. Fuera de las dos cajas, quedan dos fotones en cada lado que también se pueden medir.

Física cuántica: nuestro estudio sugiere que la realidad objetiva no existe
Investigadores con experimento. autor proporcionado

A pesar de utilizar tecnología cuántica de vanguardia, tomó semanas recopilar datos suficientes de solo seis fotones para generar estadísticas suficientes. Pero finalmente, logramos demostrar que la mecánica cuántica podría ser incompatible con la suposición de hechos objetivos: ¡violamos la desigualdad!

La teoría, sin embargo, se basa en algunos supuestos. Estos incluyen que los resultados de la medición no están influenciados por las señales que viajan por encima de la velocidad de la luz y que los observadores son libres de elegir qué mediciones realizar. Ese puede o no puede ser el caso.

Otra pregunta importante es si los fotones individuales pueden considerarse observadores. En la propuesta de la teoría de Brukner, los observadores no necesitan ser conscientes, simplemente deben poder establecer hechos en forma de un resultado de medición. Por lo tanto, un detector inanimado sería un observador válido. Y la mecánica cuántica de los libros de texto no nos da ninguna razón para creer que un detector, que puede hacerse tan pequeño como unos pocos átomos, no debe describirse como un objeto cuántico como un fotón. También es posible que la mecánica cuántica estándar no se aplique a grandes escalas de longitud, pero probar eso es un problema separado.

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Puede haber muchos mundos por ahí.
Nikk / Flickr, CC BY-SA

Por lo tanto, este experimento muestra que, al menos para los modelos locales de mecánica cuántica, necesitamos repensar nuestra noción de objetividad. Los hechos que experimentamos en nuestro mundo macroscópico parecen permanecer seguros, pero surge una pregunta importante sobre cómo las interpretaciones existentes de la mecánica cuántica pueden acomodar hechos subjetivos.

Algunos físicos ven estos nuevos desarrollos como interpretaciones reforzadoras que permiten que ocurra más de un resultado para una observación, por ejemplo la existencia de universos paralelos en el que ocurre cada resultado. Otros lo ven como evidencia convincente de teorías intrínsecamente dependientes del observador como Bayesianismo cuántico, en el que las acciones y experiencias de un agente son preocupaciones centrales de la teoría. Pero otros toman esto como un fuerte indicador de que quizás la mecánica cuántica se descompondrá por encima de ciertas escalas de complejidad.

Claramente, estas son preguntas profundamente filosóficas sobre la naturaleza fundamental de la realidad. Cualquiera sea la respuesta, le espera un futuro interesante.La conversación

Acerca de los autores

Alessandro Fedrizzi, profesor de física cuántica, Universidad Heriot-Watt y Massimiliano Proietti, PhD Candidate of Quantum Physics, Universidad Heriot-Watt

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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