Un apasionante artículo, “Nuestro universo es solo información cuántica”, debido a Javier Monserrat aparece en Tendencias Científicas en relación a la obra del físico Vlatko Vedral “Decoding Reality”.
La tesis del profesor Vedral es que nuestro universo es solo información cuántica y no básicamente materia y energía (véase el programa de Redes sobre la “incertidumbre cuántica” aquí).
“Frente al punto de vista ordinario de la ciencia, que responde casi al sentido común, a saber, que en el universo todo se deriva de la materia producida en el estado físico primordial que llamamos big bang, la tesis de Vedral consiste en afirmar que la información es anterior a todo, es el origen primordial de cuanto vemos.”
Javier Monserrat se opone a esta idea argumentando que “la digitalización y simulación del universo es producida por la actividad de la mente humana que, al recibir información de un universo real previamente existente, es capaz de representar el conocimiento sobre el universo (la flecha segunda de Vedra) en un sistema informatizado. La información es algo derivado.”
Vedral, frente al problema de la metafísica filosófica, aduce: “La cuestión acerca del todo a partir de la nada, la creación ex nihilo, es clave. Así pues, como sostengo yo, si la información es el hilo conductor común, la cuestión de la creación ex nihilo se reduce a explicar cómo surge la información de la no-información.”
(Ver la síntesis de la obra “Decoding Reality” en Wikipedia)
La naturaleza intrínsecamente probabilística de la teoría cuántica difiere de la certeza con la que los científicos pueden describir el mundo clásico, dando lugar a un debate de casi un siglo de duración sobre cómo interpretar la función de onda: ¿representa la realidad objetiva o simplemente el conocimiento subjetivo de un observador?
“La función de onda es una descripción óptima de la realidad”.
Físicos del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Universidad de Viena y el Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ) han demostrado experimentalmente que la decisión de si dos partículas estaban en un entrelazamiento cuántico o un estado cuántico separable se puede hacer “incluso después de que estas partículas se han medido y puede que ya no existan”.
Esta es una confirmación de la llamada “elección retardada del entrelazamiento de intercambio” formulada por Asher Peres en el año 2000.
Por primera vez, las propiedades físicas cuánticas del electrón como espín y momento orbital que aparecen normalmente unidas en el átomo, han sido separadas en spinones y orbitones, en un experimento realizado en el Instituto Paul Scherrer (Suiza). Ver la noticia completa en PHYSORG.
A continuación exponemos el pensamiento del ilustre Karl Popper sobre el “realismo crítico” a partir del magnífico trabajo de Jaume Navarro Vives titulado “El contacto con la realidad”.
La asimetría entre el pasado y el futuro va en contra del determinismo científico y a favor del indeterminismo (el futuro no está todavía fijado -sí abierto a influencias-, mientras que el pasado está cerrado -totalmente determinado).
Popper claramente está criticando al positivismo en auge en los años sesenta.
Popper parte de la base de que “la existencia real queda difuminada en una superestructura dominada por la dualidad onda-corpúsculo”.
Entre la interpretación meramente estadística de la probabilidad y la “subjetivista” de la interpretación de Copenhague, Popper encuentra una vía media llamada “interpretación propensivista de la probabilidad”. En ella “pretende simultanear la existencia de magnitudes probabilistas (innegables en la nueva física), con el carácter objetivo de éstas”. “La indeterminación que aportan tales magnitudes no es atribuida a la naturaleza de los objetos físicos (las partículas), sino a las situaciones. De este modo la indeterminación se traslada a los hechos posibles; ni a las cosas mismas, ni a nuestro conocimiento de ellas.”
En la propensión se añade una interpretación física de las posibilidades: éstas no resultan ser meras abstracciones, sino tendencias físicas. “La tendencia o la propensión a que tenga lugar aquello que es posible”, y que “se expresa en la frecuencia relativa con la que de hecho acontece la posibilidad en cuestión”. Por ejemplo, “un electrón con su situación concreta tiene distintas posibilidades de manifestarse”. “Y esto serían las propensiones”.
“Si un fenómeno concreto tiene una determinada probabilidad de darse, no es por puro azar sino porque en la situación física hay algo que da esa probabilidad al fenómeno”.
En resumidas cuentas, para Popper, “nuestro conocimiento, frecuencial e indeterminista, acaba siendo identificado con el modo de ser real, objetivo, del mundo”.
El realismo de Popper, pues, consistiría en “una postura anti-idealista, objetivista y anti-instrumentalista”. Anti-idealista porque no puede subordinarse la realidad del mundo a la existencia humana; objetivista, porque debe haber una clara separación entre cosa conocida y sujeto cognoscente; anti-instrumentalista, porque las teorías elaboradas por la inventiva humana nos dan conocimiento acerca del mundo (como mínimo, al menos lo que el mundo no es) y no se limitan a “ser instrumentos para la supervivencia del hombre y el dominio de la naturaleza”.
La coherencia cuántica permite que la energía luminosa “investigue” simultáneamente múltiples vías, para luego elegir la ruta más eficiente para la transferencia de energía.
Sin embargo, la decoherencia cuántica es necesaria para que una vez que la energía llegue donde se necesita, no vuelva atrás, asegurándose así una eficiencia óptica en la transferencia de emergía.
Usando una nueva técnica, investigadores australianos han podido excitar la vía en que se produce la coherencia, observándose un fuerte acoplamiento entre los estados electrónicos y los modos de vibración de la matriz proteica (fonones) en la recolección de los complejos de las algas marinas crytophyte.
Estas coherencias de larga duración producidas en la transferencia de energía apuntan a su importante implicación en la fotosíntesis.
Es lo que defiende el físico del CERN Dragan Slavkov Hajdukovic en su artículo “Dark matter may be an illusion caused by the quantum vacuum” aparecido en PSYSORG en 2011-08.
Partículas y antipartículas tendrían cargas gravitatorias de signo opuesto, por lo que se repelerían gravitatoriamente. (Aunque como la materia, la antimateria sería gravitatoriamente atractiva consigo misma). En este escenario, el vacío cuántico con sus partículas virtuales cerca de acumulaciones de materia como galaxias o estrellas muy masivas produciría “dipolos gravitatorios”, tomando la forma de un fluido dipolar.
Cuando los dipolos gravitatorios virtuales se alinean, se produce un campo gravitatorio adicional que se combina con el campo gravitatorio conocido haciendo innecesaria la hipótesis de la materia oscura o de la gravedad modificada.
Cuatro demostraciones matemáticas realizadas por Hajdukovic pueden explicar cuatro observaciones cosmológicas recientes. (Ver el artículo del mismo autor titulado “Four reasons why the quantum vacuum may explain dark matter” en PHYSORG)
“¿Y si la Física, mucho más claramente desde la revolución cuántica, apuntara (sin que ni siquiera lo sepa la inmensa mayoría de los físicos) a transformarse en Ontología científica, movida a ello por la vocación irrenunciable de esa Philosophia Naturalis que en el fondo siempre ha sido?
Y continúa:
“Ahora bien, si como decía Aristóteles, el ser es uno pero se dice de muchas maneras, a él se llega sin duda por diferentes caminos… , dos al menos, con un seguro punto de convergencia: aquel donde -como titulan Rosenblum y Kuttner, un capítulo de su libro- “el misterio se encuentra con el enigma”.
“Si esta conjetura va bien encaminada, la sorprendente implicación de la “consciencia observante”, en la definición de lo que es real en el mundo cuántico -un hecho que constituye justamente el enigma que da título al libro que comentamos- nos estará hablando de la no-escisión del Ser en sujeto (subjetividad) y objeto, a niveles profundos. Algo que intuía Jung al postular la existencia de un VNUS MUNDUS, de un plano-sustrato en el que el “espíritu” y la “materia” no están diferenciados.”
(El artículo comenta la obra de Bruce Rosenblum y Fred Kuttner \”El enigma cuántico\” y la de Charan Panda “Física y Vedanta”)
Continuemos con los comentarios en relación a la obra de Michio Kaku “Universos paralelos”.
Puede pensarse que la “realización definitiva de la teoría cuántica” llegará cuando podamos aplicarla no sólo a fotones individuales, sino a la globalidad del universo. La razón sería que no hay necesidad de un observador situado “fuera del universo” si todo el universo fuese parte de tal función de onda.
Toda partícula tiene asociada una onda que nos da la probabilidad de encontrar dicha partícula en un punto. Como el universo inmediatamente después del Big Bang era aún más pequeño que una partícula subatómica, y el electrón por ejemplo, puede existir en muchos estados, igualmente el propio universo, entonces, podía existir simultáneamente en muchos estados, descritos por esa especulativa superonda. (Esto es una variación de la teoría de los muchos mundos, donde “no hay necesidad de invocar a un observador cósmico” que pudiera observar a la vez todo el universo. A ello podríamos objetar el mismo razonamiento que hicimos en las Partes anteriores de este mismo artículo: “existe la posibilidad de otros mundos, pero sólo se hace real uno de ellos”).
En búsqueda de esta solución, Hawking ha propuesto una función de onda de todo el universo en la que en lugar de la psi de la ecuación de Schrödinger -que describe todos los estados posibles del electrón- introduce una función psi que representa todos los estados posibles del universo. Tal función de onda del universo existiría en el “superespacio” (espacio de todos los universos posibles, introducido por Wheeler).
Esta función de onda maestra, en vez de obedecer a la ecuación de ondas de Schrödinger, obedece a la ecuación de “Wheeler-De Witt”.
Avanzando más e introduciéndonos en la teoría de las cuerdas, las supercuerdas y su extensión las branas, los científicos Raman Sundrum y Lisa Randall edificaron un modelo de universo donde la tres-brana (nuestro universo conocido) “tiene un tirón gravitatorio propio que impide a los gravitones (transmisores del campo gravitatorio) ir libremente a la quinta dimensión”, puesto que los gravitones tienen que “agarrarse” a la tres-brana debido a la gravedad que ejerce esta tres-brana. Y la explicación de la “jerarquía” (distinta magnitud de las fuerzas básicas de la naturaleza) se explicaría por la dilución o debilitación “al dejar la tres-brana y entrar en la quinta dimensión”. Así que la gravedad tendría la potencia de las otras fuerzas, “sólo que se atenúa porque parte de ella se filtra al espacio de dimensiones superiores”.
Las branas o las “membranas” también darían una respuesta bastante plausible al enigma de la materia oscura. Cualquier universo situado en otra dimensión, es invisible para este, particularizando, cualquier galaxia de tal universo “paralelo” será invisible para nosotros. Como la gravedad “saltaría” a través de los universos, “cualquier galaxia grande en este otro universo se vería atraída a través del hiperespacio hacia una galaxia de nuestro universo”; el efecto sería un halo alrededor de la galaxia conteniendo el 90% de la masa calculada. Resultado: “la materia oscura puede ser causada por la presencia de un universo paralelo”.
Especulando sobre la posibilidad de aplicar la teoría M (de las supercuerdas) a la cosmología, se ha tratado de dar, entre otras cosas, un nuevo giro al enfoque de la inflación que se supone siguió inmediatamente al Big Bang.
La teoría M se desenvuelve en 11 dimensiones, por lo que hay que dar una explicación al hecho de que vivimos en universo de cuatro dimensiones. Robert Brandenberger y Cumrun Vafa han especulado que ello podía ser debido a “la particular geometría de las cuerdas”. “Lo que impedía al universo se expandiese eran bucles de cuerdas que se enroscaban estrechamente alrededor de varias dimensiones”.
Nos dicen que aunque universos de dimensiones superiores son posibles, son menos probable verlos al estar estrechamente envueltos por cuerdas y anticuerdas.
Otra teoría sobre el tema es debida a los físicos Paul Steinhardt, Burt Ovrut y Neil Turok (universo “ekpirótico”). En esta teoría se empieza con dos tres-branas, homogéneas y paralelas que representan el estado de menor energía. Al principio son universos vacíos y fríos, pero la gravedad los va atrayendo lentamente, hasta que colisionan, convirtiéndose la energía cinética de la colisión en la materia y la radiación que forma nuestro universo.
La fuerza de colisión, a continuación, separa las dos membranas entre sí, enfriándose ambas rápidamente, “dándonos el universo que vemos hoy”. La posterior acción de la gravedad sobra las branas volverá a producir con el tiempo una nueva colisión, repitiéndose el proceso indefinidamente.
Volviendo al universo “participativo” de Wheeler, pienso que está en la línea de lo sugerido en mi ensayo “Accesible e inaccesible”: “Lo inaccesible se va haciendo accesible, gracias a la reflexión que se produce en la propia “observación” (“It from bit”).
Según el biólogo George Wald: “Un físico es la manera que tiene el átomo de saber sobre átomos”. Y en palabras del pastor unitario Gary Kowaski: “Podría decirse que el universo existe para celebrarse a sí mismo y deleitarse de su propia belleza”.
Nos dice Michio Kaku que desde “esta línea de argumentación, el universo tiene un objetivo: producir criaturas sensibles como nosotros que puedan observarlo para que exista.” “Según esta perspectiva, la mera esencia del universo depende de su capacidad de crear criaturas inteligentes que puedan observarlo y, por tanto, colapsar su función de onda”. Añadimos: “Se crea de esta forma la realidad, la misma esencia de Dios”.
Como vimos en Partes anteriores de este artículo existe la interpretación alternativa de los “muchos mundos”, en donde el gato de Schrödinger puede estar vivo y muerto a la vez, simplemente porque el universo se ha dividido en dos universos separados. No repetiremos los razonamientos anteriores en contra de esta interpretación, simplemente decir que aunque los dos estados del “gato” coexisten, ello no significa que el universo se ha dividido en dos universos separados. Existe, sí, la posibilidad de los dos estados “en potencia” pero no son reales en absoluto. Sólo hay dos tipos de realidad: la de la posibilidad de los estados según la interpretación de Born, y la de la realidad del estado que finalmente se decanta en la decoherencia o colapso de la función de onda.
Resumiendo: “Antes sólo existe la realidad de la “posibilidad” de la existencia de los dos estados. La “onda” abre el campo de posibilidades, cual si estuviéramos ante una creación del azar.”
Continuaremos con nuestro propósito en relación a la obra “Universos paralelos” de Michio Kaku.
Nos dice Michio que hay una extensión natural de la decoherencia que en la actualidad está consiguiendo gran aceptación entre los físicos: es el enfoque promovido por el discípulo de Wheeler “Hugh Everett III” que supone que tal vez el gato (de Schrödinger) pudiera estar vivo y muerto al mismo tiempo pero en dos universos diferentes. O sea, el gato está vivo y muerto al mismo tiempo porque el universo se ha partido en dos. En las palabras de Michio Kaku: “En realidad, en cada coyuntura cuántica, el universo se divide por la mitad, en una secuencia interminable de división de universos. Todos los universos son posibles en este guión, cada uno tan real como el otro.”
La ventaja principal de esta interpretación (por otra parte tan disparatada que parece ir contra la “navaja de Occam”) es que podría evitarse el colapso de la función de onda, pues las funciones nunca colapsarían: simplemente seguirían evolucionando de acuerdo con la ecuación de Schrödinger, dividiéndose en otras funciones de onda, “en un árbol interminable en el que cada rama representa todo el universo”. (Es curioso como con esta interpretación, los físicos que la secundan se han transformando más en fabulistas que en serios científicos secularmente defensores de la más estricta ortodoxia experimental o realista. En defensa de los mismos hay que decir que a esta “proliferación” de universos es muy fácil seguir el rastro simplemente siguiendo la evolución de la ecuación de onda: ¡Una simplificación teórica o de cálculo -que no es tal pues los cálculos matemáticos dan los mismos resultados con la interpretación secular de Copenhague- que nos lleva a edificar universos uno tras otro, en una proliferación que por su iteración raya en la banalidad! Pero, el truco es que tales universos no interaccionan entre ellos, pues están en “decoherencia” unos con otros: “nuestra función de onda está en decoherencia con estos otros mundos”.
Ahora bien, como hemos comentando, en los experimentos realizados basados en la interpretación de Copenhague o en esta de los muchos mundos se dan los mismos resultados, ya que “el colapso de la función de onda de Bohr es matemáticamente equivalente al contacto con el entorno”.
Ni que decir tiene (como se ha reflejado indirectamente en lo escrito antes) que nuestra preferencia no tiene color: ¡se inclina con rotundidad hacia la interpretación clásica de Bohr o de Copenhague!
El mismo Wheeler preocupado por ese “demasiado exceso de equipaje”, ha edificado la curiosa interpretación de la cuántica llamada “It from bit”, “que empieza con la presunción de que la información está en la raíz de toda existencia”. “La información empieza a existir cuando el universo se observa a sí mismo”. “Al principio del universo, éste empezó a existir porque fue observado. Esto significa que it (la materia en el universo) empezó a existir cuando se observó la información (bit) del universo”. Una especie de diagrama circular que representaría la historia universal, y que supone que el universo se “adapta” a nosotros de la misma forma que nosotros nos adaptamos a él, es decir, sería un “universo participativo”.
Continuaremos con nuestra crítica a ciertos aspectos aparecidos en la obra de Michio kaku “Universos paralelos”.
Nos dice Michio:
“La mayoría de los físicos encogen los hombros y levantan las manos cuando se les enfrenta a las endiabladas paradojas de la mecánica cuántica. Para la mayoría de científicos practicantes, la mecánica cuántica es una serie de recetas del libro de cocina que provee las probabilidades correctas con una exactitud asombrosa.”
“Sin embargo, algunos de los pensadores más profundos de la física han luchado con estas cuestiones. Por ejemplo, hay varias maneras de resolver el problema del gato de Schrödinger. La primera defendida por el Nobel Eugene Wigner y otros, es que la conciencia determina la existencia.”
Según Wigner, no es posible formular las leyes de la mecánica cuántica de manera plenamente coherente sin referirnos a la conciencia (del observador).
Concluye Michio:
“Pero si hago una observación, ¿qué va a determinar el estado en el que estoy? Esto significa que alguien más tiene que observarme a mí para colapsar mi función de onda. Esto recibe a veces el nombre de “el amigo de Wigner”. Pero también significa que alguien tiene que observar al amigo de Wigner, y al amigo del amigo de Wigner, y así sucesivamente. ¿Hay una conciencia cósmica que determina toda la secuencia de amigos observando todo el universo?”
La objeción a todo esto se refiere a: ¿Por qué otro observador tiene que observarte a ti?… Tu observación ya origina un hecho, suceso o acontecimiento, que no necesita de otro observador, pues éste, a su vez, producirá otro hecho distinto.
Nos dice Michio que Andrei Linde, uno de los fundadores del universo inflacionario, cree firmemente en el papel de la conciencia. En sus palabras:
“(…) En ausencia de observadores, nuestro universo está muerto.”
Dice Linde que “los fósiles de dinosaurio no existen realmente hasta que los vemos”. A lo que contestamos que esos fósiles existen siempre porque alguien los verá “en algún momento a lo largo de toda la historia del universo”.
Y añade Michio que “algunas personas a quienes les disgusta introducir la conciencia en la física afirman que una cámara puede hacer una observación de un electrón y, por tanto, las funciones de onda pueden colapsar sin recurrir a los seres conscientes. Pero ¿quién dice entonces si la cámara existe? Es necesaria una cámara para observar a la primera y una tercera para observar a la segunda, ad infinitum. Así, pues, introducir cámaras no responde a la pregunta de cómo colapsan las funciones de onda.”
Nuestra respuesta: La cámara “colapsa” tales funciones de onda porque “alguna vez” habrá un observador que dará fe de ello… además, esto sería válido, simplemente si existe tal posibilidad. Esa existencia de la posibilidad (ver Parte I de este mismo artículo) es suficiente para el colapso de la función de onda, debido a que las posibilidades son reales de acuerdo con el planteamiento de Born.
Nos dice Michio en su obra que una manera parcial de resolver tales cuestiones “que ha adquirido popularidad entre los físicos es la llamada “decoherencia”, que fue formulada por primera vez por el físico alemán Dieter Zeh en 1970. Como en el mundo real no puede separarse el gato (paradoja del gato de Schrödinger) de su entorno (el gato está permanentemente en contacto con las moléculas del aire, etc.), estas interacciones, por pequeñas que sean afectan, radicalmente a la función de onda, lo que provoca su partición en dos funciones de onda, una correspondiente al gato muerto y otra al gato vivo. Ello equivale al colapso de la función de onda inicial, o lo que es lo mismo: los dos estados iniciales no pueden coexistir, al no existir ya la vibración sincrónica, prácticamente exacta, que se describe como un estado llamado “coherencia”. Y es que la sincronización de simplemente un puñado de átomos en el mismo laboratorio es altamente difícil. “Zeh demostró que una vez las dos funciones de onda dejan de vibrar en fase una con otra, éstas dejan de interaccionar una con otra”.
Opina Michio: “De entrada, la decoherencia suena muy satisfactoria, porque la función de onda no se colapsa por la conciencia, sino por las interacciones aleatorias con el mundo exterior.
Nuestra opinión es que puede haber colapso de la función de ondas “por ambas cosas” (conciencia y decoherencia): azar (decoherencia) y conciencia, ¡cada una tiene su papel!
En el campo electromagnético podemos visualizar el comportamiento de su vacío clásicamente (sin acudir en principio a la teoría cuántica).
Imaginemos un electrón que se mueve en el espacio libre de fuerzas y campos externos. Entonces, la única acción que sentirá en este caso, provendrá de su interacción con el vacío, que sería la “radiación de punto cero”. El electrón en movimiento respecto este campo, sentirá una “fuerza de fricción” proporcional a su velocidad que tenderá a frenarlo. Mas, por otro lado, el electrón debe mantener su velocidad, para no violar el principio de inercia. Es, pues, necesario compatibilizar ambos puntos de vista.
En primera aproximación, se demuestra que la fuerza sobre el electrón (no relativista) debido al campo es de la forma
F= -A (φ – 1/3 w δφ/δw)v , donde A es una constante que caracteriza el sistema en interacción, v su velocidad y φ(w) la densidad espectral de la energía del campo.
Para que se anule esta función, debe ser nula la expresión φ – 1/3 δφ/δw. Esta ecuación diferencial tiene la solución φ= Cw³, lo que quiere decir que un vacío electromagnético clásico con densidad espectral proporcional al cubo de la frecuencia garantiza el movimiento inercial de una carga a través de él. Este es, como es previsible, exactamente el espectro que tiene el campo de vacío, tanto en la electrodinámica cuántica como en la electrodinámica estocástica.
Así que el electrón puede mantener constante su velocidad en el vacío, pero ¿qué ocurre si ese electrón se mueve aceleradamente?
Ocurre que la densidad espectral del campo que “ve” el electrón cuando se mueve aceleradamente, deja de tener la forma simple anterior correspondiente al vacío (a temperatura nula), tomando la de una distribución de Planck a una “temperatura equivalente” determinada por la aceleración. Es como si el vacío efectivo del electrón acelerado se hubiera “calentado”, perdiendo su isotropía.
Si, como es lógico, tenemos en cuenta a la vez la relatividad general y la mecánica cuántica, nos introducimos en los terrenos denominados de la gravitación cuántica (unificación de ambas teorías), y aunque actualmente no hay una teoría “consistente” sobre la misma, lo que sí sabemos es que la propia mecánica cuántica implica la existencia de fluctuaciones, que según Wheeler teniendo en cuenta el campo gravitatorio, deben “afectar” a la métrica, a distancias del orden de la longitud de Planck (1,6*10 elevado a -33 cm), y durante tiempos extraordinariamente cortos (el tiempo de Planck, 0,52*10 elevado a -43 segundos), como consecuencia del “principio de incertidumbre” de Heisenberg, con lo cual aparecerían conexiones entre puntos alejados del espaciotiempo, los llamados “wormholes” (agujeros de gusano).
Entonces, el espacio vacío adquiriría una estructura altamente compleja a tal escala: el espacio se asemejaría a una esponja, con agujeros y túneles en continua formación y desaparición, la llamada “espuma cuántica”.
Además, existe la posibilidad, a partir del citado principio de incertidumbre de Heisenberg, de una fluctuación cuántica de la energía que permita la materialización espontánea de materia, con tal de que esta materia se aniquile en un intervalo de tiempo suficientemente pequeño. En particular, puede aparecer de forma espontánea un par electrón-positrón, que por la fórmula de Einstein, E=mc², requiere una energía de 1 MeV, que podría subsistir antes de aniquilarse, durante un tiempo (por la relación de incertidumbre antedicha) t= h/1 MeV = 10 elevado a -21 segundos. Tiempo pequeño, pero considerablemente mayor que el anterior de las fluctuaciones gravitatorias (“espuma”), 0,52*10 elevado a -43.
Como tanto el electrón como el positrón tienen carga eléctrica, el vacío puede polarizarse (la estructura de las fluctuaciones cuánticas del vacío hacen que se comporte como un dieléctrico). Los electrones, así se rodean de positrones “virtuales”, y los protones de electrones “virtuales”, que aparecen y se aniquilan al ritmo de uno cada 10 elevado a -21 segundos. Los niveles energéticos del átomo de hidrógeno se ven afectados de esta forma (efecto Lamb) por el efecto de la polarización del vacío.
No está de más que hagamos la salvedad de que en 2005, científicos de la Universidad de Ohio (equipo de Daniel S. Carman), al provocar colisiones en el laboratorio usando la tecnología conocida como Large Acceptance Spectometer, descubrieron que las partículas no son creadas a partir del vacío cuántico, sino merced a la energía cinética que se crea por el choque de partículas.
Decir que la energía de punto cero es la energía que permanece cuando todas las otras energías son eliminadas del sistema.
Un oscilador armónico clásico se comporta como una masa sujeta a un muelle, que siempre puede llevarse a un estado de reposo, cosa que no sucede en un oscilador armónico cuántico, que siempre permanece con un movimiento residual debido a los requisitos que le impone el citado principio de incertidumbre de Heisenberg, con el resultado de una energía de punto cero igual a 1/2 hw (siendo h la constante de Planck, y w la frecuencia de oscilación).
Como las radiaciones electromagnéticas se comportan como ondas flotando a través del espacio a la velocidad de la luz, son en realidad ondulaciones en un estado de un campo definido teóricamente, que transmite energía y momento. Cada onda tiene una dirección específica, frecuencia y estado de polarización, y cada una de ellas representa un “modo de propagación del campo electromagnético”.
Como cada modo es equivalente a un oscilador armónico, cada modo del campo debe tener 1/2 hw como energía mínima media, diminuta cantidad de energía, pero que al ser el número de modos enorme (y de hecho se incrementa con el cuadrado de la frecuencia por unidad de intervalo de frecuencia). La densidad de energía espectral está determinada por la densidad de modos por energía por modo y de esta forma se incrementa con el cubo de la frecuencia por unidad de frecuencia por unidad de volumen. El producto de la diminuta energía de cada modo por la descomunal densidad espectral de modos lleva a una densidad de energía teórica de punto cero altísima.
Como vemos, no es nada extraño que en la teoría cuántica existan diferentes vacíos según el campo cuántico considerado. Así, es lo que ocurre, por ejemplo, en el campo de las interacciones fuertes, que por cierto, tiene características comunes con la inducida por las interacciones electromagnéticas.
La teoría es compleja, pero baste considerar que a diferencia del vacío inducido por las interacciones electromagnéticas, donde la existencia de pares electrón-positrón es efímera, el vacío inducido por las interacciones fuertes contiene gluones (que no tienen masa) en permanencia. De hecho, también contiene en permanencia pares quark-antiquark, a pesar de que su energía es cero, lo que se manifiesta en la propiedad denominada “libertad asintótica”.
También tenemos en este caso la estructura creada en el vacío por las autointeracciones de los campos gluónicos, que es similar a la curvatura del espacio generada por la autointeracción del campo gravitatorio, pero aquí las interacciones de los campos gluónicos se alinean en el espaciotiempo a lo largo de tubos que crean una singularidad en su interior, los llamados instantones. Las fluctuaciones cuánticas pueden hacernos saltar de un vacío otro, y el vacío “real” resulta ser una superposición de vacíos con todos los números posibles de instantones (a este vacío, lleno de estructuras tubulares, se le denomina a veces “vacío de espagueti”).
Se cree que es imposible medir u observar un sistema cuántico sin perturbar su estado, pero esto no es exactamente cierto por efecto de las “medidas cuánticas débiles”.
Las medidas cuánticas débiles han permitido cosas que parecían imposibles, como la reconstrucción de la función de onda de una partícula o la observación de la trayectoria promedio de los fotones en un experimento de doble rendija.
“El protocolo de medición débil cumple todas las reglas de la mecánica cuántica y ha sido verificado en los experimentos, sin embargo, su interpretación aún causa escalofríos en algunos físicos, ya que involucra probabilidades negativas.”
En 1988, Lev Vaidman y Yakir Aharonov “descubrieron que un campo magnético débil vertical no equivale a la ausencia de una medida cuántica, sino que corresponde a un tipo especial de medida cuántica, que se bautizó como medida débil”. El experimento es el siguiente.
Un haz de átomos original se prepara con un espín en dirección horizontal que apunta hacia la izquierda. Lo hacemos pasar por un campo magnético vertical débil y a continuación por un campo magnético horizontal fuerte. La medida débil del imán vertical permite que algunos átomos tengan espín hacia la derecha donde inicialmente no los había, sin haber separado totalmente los espines en la dirección vertical (no se produce el colapso de la función de onda). Entonces, la intensidad observada en una pantalla depende de la relación matemática entre los dos componentes horizontales del espín. Por ejemplo, “si el haz original tiene un pequeño ángulo respecto a la horizontal, podemos saber si este ángulo es positivo o negativo gracias a la medida débil, algo imposible con una medida convencional”. “La medida débil no solo mide la amplitud de probabilidades sino también la fase de la función de onda”.
Un experimento mental debido a Lucien Hardy en 1992 entre positrones y electrones que parece presentar una paradoja (ver artículo de francisthemulenews), fue resuelto por Aharonov y sus colegas suponiendo que hay una probabilidad del -100% de que positrones y electrones sigan las trayectorias que no les llevan a coincidir y aniquilarse.
“Las probabilidades negativas son parte de la realidad cuántica, porque las mediciones débiles lo son, y permiten medir cosas que parecían imposibles. Por ejemplo en el experimento de la doble rendija con fotones el patrón de interferencia indica que cada fotón pasa por las dos rendijas y no tiene trayectoria definida. Sin embargo, gracias a las medidas débiles se puede reconstruir la trayectoria “promedio” de los fotones una vez atravesada la pantalla con las dos rendijas.”
En un experimento realizado por Aephraim Steinberg y sus colegas, la polarización de los fotones en función del ángulo en el que salen de cada rendija, permite determinar el momento promedio de los fotones al golpear cada punto en la pantalla. “Gracias a esta información se pudo reconstruir las trayectorias promedio de los fotones sin violar la mecánica cuántica, sin desmentir que cada fotón individual pasa por las dos rendijas. Más aún, Jeff Lundeen, físico canadiense, y sus colegas lograron reconstruir la función de onda de un fotón gracias a medidas débiles.”
Un último estudio ha encontrado que las moscas pueden distinguir entre una molécula odorante que contiene hidrógeno y la misma molécula cuando el hidrógeno es desplazado por el isótopo deuterio. Y es que mientras que el hidrógeno y el deuterio tienen la misma forma, el deuterio tiene una vibración de baja frecuencia, lo que apoya la teoría de que la vibración molecular juega un papel importante en cómo las moscas distinguen los olores, con la consecuencia de que moléculas casi idénticas puedan producir olores muy diferentes.
Todo esto sugiere que existen criterios adicionales para esta distinción relacionados con las frecuencias de vibración de las moléculas odoríferas; al llegar las señales a los electrones de los receptores nasales, se produce el efecto túnel cuántico ajustado a tales frecuencias de vibración, lo que nos acercaría a la buscada corroboración de la teoría del biofísico Luca Turín sobre que la mecánica cuántica puede explicar los diferentes olores.
Según los físicos S. Jay Olson y Timothy C. Ralph (Universidad de Queensland) es posible crear entrelazamiento cuántico entre regiones del espacio tiempo separadas en el tiempo pero no en el espacio, y convertir luego el entrelazamiento de tipo tiempo en entrelazamiento normal (de espacio). Este entrelazamiento temporal se obtiene partiendo del vacío de Minkowski, y podría ser utilizado para lo que ellos llaman “teletransporte en el tiempo”.
Para Olson “el aspecto interesante del resultado (el entrelazamiento existente entre el futuro y el pasado) es que es una propiedad general de la naturaleza, abriéndose una puerta a una nueva creatividad”.
Un hito importante al respecto ha sido logrado por Stephanie Simmons, John Morton y otros colegas de la Universidad de Oxford. Ver el artículo en el Blog \”Francis (th) Emule Science´s News\” .
Al final del mismo se afirma que ”el profundo y extraño vínculo entre partículas en los estados de Efimov es notablemente similar al entrelazamiento cuántico”. Si fueran idénticos la “física del ruso Efimov” nos proporcionaría un nuevo conocimiento sobre el entrelazamiento, ayudándonos a generarlo y aprovecharlo, con importantes aplicaciones en criptografía y ciencia de la computación.
En esencia la predicción de Vitaly Efimov (1970) demostraba que objetos cuánticos que no pueden formarse en pares, sí podían, no obstante, formarse en tripletes. En 2006, científicos austriacos encontraron el primer ejemplo de estados de Efimov en un gas frío de átomos de cesio.
Y es que los enlaces que unen los tripletes son sutilmente distintos que los que unen los pares. Tal resultado tiene que ver con la rama de las matemáticas llamada Topología, o estudio de las formas (las que se conservan cuando un objeto se comprime, estira y deforma, sin romperse).
Un ejemplo lo representa el famoso anillo Borromeano que consta de tres círculos entrelazados de tal forma que cortando uno, se liberan los otros dos. Y es que los círculos en un plano bidimensional no pueden formar un anillo Borromeano: es preciso añadir una tercera dimensión. Pues el hecho es que existe una analogía matemática (forma) entre el anillo Borromeano y los extraños tripletes de cesio: ¡las matemáticas de la mecánica cuántica y la topología resultan ser las mismas!
Pero los enlaces que surgen de la topología de la mecánica cuántica están “fuera de este mundo” (existen en distintos conjuntos de dimensiones, espacio en el que se forman, por ejemplo, los anillos Borromeanos). El resultado sería una especie de física paralela, cuyas leyes “ejercen un agarre fantasmal e ineludible” sobre nuestro propio universo (espacialmente tridimensional).
El científico Nils Baas, autor del artículo original en arxiv nos dice que “los anillos Borromeanos son el ejemplo más simple de una tabla periódica completa de estructuras topológicas. Y si es posible hacer que los estados de Efimov sean equivalentes a los anillos Borromeanos, entonces debería ser posible también crearlos”.
Los nuevos materiales, así creados, serían como un nuevo estado de la materia. De hecho, los físicos ya están empezando a construir conductores y aislantes en los que los electrones se mueven a su través siguiendo la topología de la mecánica cuántica (aislantes topológicos).
(Un magnífico trabajo titulado “Sistemas de pocos cuerpos en un entorno del umbral continuo: estados ligados, resonancias, estados Borromeanos y de Efimov”, debido a Federico Manuel Pont, puede leerse aquí)
