La física cuántica reescribe la causalidad

Varios experimentos recientes han mostrado que es posible mezclar el orden de las causas y sus efectos. El fenómeno ha abierto una nueva vía para explorar el comportamiento cuántico de la gravedad.

Las leyes cuánticas pueden hacer que la relación causal entre dos sucesos no esté bien definida. Una nueva línea de investigación intenta reformular la física fundamental prescindiendo del concepto de causalidad. [CODY MUIR/QUANTA MAGAZINE]

En síntesis

En los últimos años, varios trabajos han revelado que la causalidad no es un concepto necesariamente bien definido en mecánica cuántica: es posible superponer dos secuencias donde los eventos se suceden con un orden causal invertido.

Una noción relacionada aparece también en relatividad general, la teoría de la gravedad formulada en 1915 por Albert Einstein: las relaciones causales entre dos puntos del espaciotiempo dependen de la geometría de este, la cual es dinámica.

Los físicos están intentando conjugar ambos fenómenos para formular una teoría de gravedad cuántica que prescinda del concepto de causalidad. Al mismo tiempo, algunas de estas ideas ya han encontrado aplicaciones en información cuántica.

Alicia y Benito, los protagonistas de tantos experimentos mentales, están preparando la cena cuando sufren un percance: a Alicia se le cae un plato y el ruido sobresalta a Benito, quien se quema en el fogón y grita. En otra versión de los hechos, Benito se quema y grita, y es eso lo que hace que a Alicia se le caiga el plato.

A lo largo de la última década, los físicos han examinado las implicaciones de una extraña constatación: en mecánica cuántica, las dos versiones de una historia así pueden ocurrir en principio a la vez. Es decir, dos eventos pueden suceder en un orden causal indefinido en el que las afirmaciones «A causa B» y «B causa A» son ciertas al mismo tiempo. «Suena extravagante», admite Časlav Brukner, físico de la Universidad de Viena.

Esta posibilidad se desprende del fenómeno cuántico de la superposición, según el cual las partículas mantienen simultáneamente todas las realidades posibles hasta el momento en que las medimos. En laboratorios de Austria, China, Australia y otros países, los físicos pueden observar ese orden causal indefinido al llevar un fotón a una superposición de dos estados. Entonces, someten una rama de la superposición al proceso A seguido del proceso B, y la otra al proceso B seguido del A. En este procedimiento, conocido como «conmutador cuántico» (quantum switch) el resultado de A influye en lo que ocurre en B, y viceversa: el fotón experimenta ambos órdenes causales a la vez.

En los últimos cinco años, una creciente comunidad de físicos ha implementado el conmutador cuántico en el laboratorio y ha analizado las ventajas que ofrece el orden causal indefinido en computación y comunicación cuánticas. «Realmente es algo que podría ser útil en nuestro día a día», afirma Giulia Rubino, investigadora de la Universidad de Bristol que en 2017 lideró la primera demostración experimental del conmutador cuántico.

Pero la posible utilidad práctica del fenómeno no hace sino acentuar sus profundas implicaciones. Los físicos intuyen desde hace tiempo que la imagen habitual en que los sucesos se desarrollan como una secuencia de causas y efectos no capta la naturaleza fundamental de las cosas. Y sostienen que, si queremos desentrañar el origen cuántico de la gravedad, del espacio y del tiempo, es probable que debamos abandonar esa perspectiva causal. Hasta hace poco, sin embargo, no disponían de demasiadas ideas sobre cómo podría funcionar esta «física poscausal». «Muchos creen que la causalidad es tan básica para nuestra comprensión del mundo que, si diluyésemos esa noción, no seríamos capaces de formular teorías coherentes y con significado», señala Brukner, uno de los referentes en el estudio de la causalidad indefinida.

Eso está cambiando con los recientes experimentos sobre conmutadores cuánticos, así como con varios experimentos mentales en los que Alicia y Benito se enfrentan a la indefinición causal creada por la naturaleza cuántica de la gravedad. Para explicar esas situaciones, los investigadores se han visto obligados a desarrollar formalismos matemáticos alternativos y nuevas maneras de pensar. Con esos marcos conceptuales, asegura Brukner «podemos hacer predicciones sin necesidad de tener una causalidad bien definida».

Correlación, no causalidad

Aunque los avances se han precipitado en fechas recientes, numerosos expertos consideran que esta estrategia para abordar el problema de la gravedad cuántica emana de un trabajo publicado en 2005 por Lucien Hardy, investigador del Instituto Perimeter de Física Teórica de Waterloo. «En mi caso», corrobora Brukner, «todo empezó con el artículo de Hardy».

Por aquel entonces, Hardy era conocido por haber aplicado a la mecánica cuántica un enfoque conceptual popularizado en su día por Albert Einstein. Cuando el físico alemán revolucionó la física, no lo hizo reflexionando sobre lo que existe en el mundo, sino sobre lo que podemos medir. En concreto, lo hizo imaginando personas que efectuaban mediciones con reglas y relojes desde trenes en movimiento. Gracias a este enfoque «operacional», fue capaz de concluir que el espacio y el tiempo debían ser relativos. En 2001, Hardy aplicó ese mismo planteamiento a la mecánica cuántica y reconstruyó la teoría a partir de cinco axiomas operacionales. Después, se propuso continuar con un rompecabezas aún mayor y con más de ochenta años de historia: cómo conciliar la mecánica cuántica y la relatividad general, la sensacional teoría de la gravedad de Einstein. «Me motiva la idea de que ese modo operacional de pensar en la teoría cuántica pueda aplicarse a la gravedad cuántica», comenta Hardy.

 

Este artículo apareció originalmente en QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

 

 

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