Sin espacio, ni tiempo, ni partículas: una visión radical de la realidad cuántica.

Por Vlatko Vedral

Si admitimos que los números cuánticos son la verdadera esencia de la realidad —y no las partículas, el espacio o el tiempo—, se nos abre una nueva visión de la realidad, sorprendente y hermosa.

Muchos han señalado el nacimiento de la mecánica cuántica en la pequeña isla sin árboles de Helgoland, donde el joven Werner Heisenberg se retiró en el verano de 1925. Allí esbozó los fundamentos de lo que se convertiría en nuestra forma más brillante y exitosa de explicar la realidad. En el centro de su enfoque estaba la decisión de centrarse exclusivamente en lo que los observadores encontrarían al medir las partículas.

Fue un destello de genialidad, pero también ha tenido a los físicos en un dilema durante 100 años. Gran parte del problema se reduce a preguntas sobre qué es un observador y qué constituye exactamente una observación. ¿Debemos creer que la realidad depende de alguna manera de que la miremos?

Creo que ha llegado el momento de dejar atrás este embrollo metafísico. He reflexionado sobre la teoría cuántica durante gran parte de mi carrera y he llegado a la conclusión de que no necesitamos observadores, que no tiene sentido hablar de ellos. Existe una forma mucho más coherente y razonable de describir el mundo cuántico que me gustaría compartir con ustedes ahora, junto con los tres experimentos decisivos que pueden demostrar mi teoría.

Aunque, en mi opinión, este marco tiene mucho sentido desde el punto de vista lógico, nos lleva a un territorio desconocido. No solo no existen los observadores, tampoco hay partículas. ¿Y el espacio y el tiempo? Bueno, ya llegaremos a ellos. Sin duda, se trata de aguas profundas, pero vale la pena adentrarse en ellas porque, al hacerlo, encontramos pistas sobre lo que podría haber más allá de la teoría cuántica tal y como la conocemos.

Para empezar, hagamos un rápido recorrido por la física moderna y la telaraña de problemas que crea. Los observadores eran un principio clave de la física mucho antes de la mecánica cuántica: de hecho, desempeñaron un papel crucial en el desarrollo de la relatividad especial y general de Albert Einstein. Esta última teoría dice que el espacio y el tiempo se fusionan en el tejido del espacio-tiempo, y que es la curvatura de este tejido lo que crea la gravedad. Más adelante cuestionaré esta visión, pero una de las implicaciones de la idea original es que los observadores que se encuentran en lugares donde la curvatura del espacio-tiempo es diferente experimentarán el paso del tiempo a velocidades relativas diferentes.

Cuando enseñamos relatividad, con frecuencia hablamos de observadores, imaginándolos como personas. Pero la verdad es que el tiempo experimentado por cualquier objeto en movimiento (incluso, por ejemplo, un átomo) cambiará con respecto a los objetos en campos gravitacionales diferentes. Estas diferencias no necesitan ser registradas por la observación, por lo que no necesitamos una categoría especial de «observadores».

Los profesores de física frecuentemente hablan sobre un "observador", pero ese concepto puede terminar confundiéndonos.

La relatividad general es el primero de los dos pilares de la física moderna, siendo el otro la propia teoría cuántica. La esencia de la teoría es que la realidad se divide en fragmentos discretos en el nivel más fundamental. Por ejemplo, cuando los átomos absorben o expulsan energía, lo hacen en paquetes de un tamaño determinado, no de forma continua, la realidad en su escala más pequeña está pixelizada. Pero los observadores también están integrados en la teoría cuántica, ya que esta distingue entre las partículas antes y después de la «observación». Antes, las describimos utilizando la función de onda, una ecuación que establece un rango de propiedades posibles: una superposición. Después, se dice que esta «colapsa» en un valor específico.

El problema es que esto da lugar a todo tipo de preguntas, la más básica de ellas es cómo y por qué se produce el colapso. También crea paradojas, como la del amigo de Wigner, ideada hace décadas por el físico Eugene Wigner. Él imaginó a un «amigo» dentro de un laboratorio sellado realizando una medición cuántica mientras él mismo esperaba fuera. El problema surge cuando comparamos las descripciones de la realidad de ambas personas. Wigner no ha observado nada, por lo que todo el laboratorio ahí adentro está en superposición y se describe mediante la difusa función de onda. Sin embargo, para su amigo, hay un resultado definitivo. Con esta paradoja, Wigner se preguntaba cómo sabemos cuándo una observación se convierte en definitiva.

Algunos físicos piensan que debemos modificar la teoría cuántica para abordar todo esto. Pero yo no. Para explicar cómo lo veo, debemos comprender el fenómeno del entrelazamiento, que Erwin Schrödinger denominó «rasgo característico» de la teoría cuántica. El entrelazamiento cuántico se considera a menudo misterioso, pero en realidad es solo un vínculo especial entre dos objetos cuánticos, de modo que cuando se mide uno, se conoce inmediatamente algo sobre las propiedades del otro. Aquí está el punto clave: cuando hablamos de «observaciones», a lo que realmente nos referimos, en mi opinión, es al momento en que dos sistemas se entrelazan entre sí. Aunque lo que se entrelace pueda ser una persona (un "observador""), no tiene por qué ser tratarse de un ser consciente.

Permítanme darles un ejemplo. Hay un famoso experimento en el que una partícula de luz, o fotón, en superposición atraviesa dos rendijas en una pantalla al mismo tiempo, creando un patrón de interferencia cuando golpea una segunda pantalla. Pero si observamos por qué rendija pasa el fotón, entonces no se produce ninguna interferencia. Antes de concluir que nuestra observación colapsa la superposición, tenga en cuenta que si entrelazamos cualquier otra cosa con el fotón de manera que revele qué rendija atraviesa, obtenemos el mismo efecto.

Por lo tanto, deberíamos dejar de hablar de «observadores» y hablar en cambio de entrelazamiento. Por cierto, esta visión también disuelve la cuestión que Wigner planteó con su paradoja. No hay un observador «definitivo», no hay observadores en absoluto. Lo que realmente ocurre es que el sistema y eso que llamamos el observador (que no es más que otro sistema) se entrelazan.

Lo que me gustaría que extrajeran de todo esto es que la teoría cuántica ya contiene todo lo que necesitamos para comprender la realidad. Solo tenemos que tomarnos en serio todas sus implicaciones, aunque nos parezcan extrañas. Así pues, exploremos ahora adónde nos lleva esto, empezando por una idea central de la física: las partículas.

La irrealidad de las partículas

Para abordar este concepto, lo primero que debemos tratar son los campos. Un campo es una entidad que existe en todas partes y cambia con el tiempo, una idea introducida originalmente por Michael Faraday en la primera mitad del siglo XIX. En la teoría clásica del campo electromagnético, los valores del campo eléctrico y magnético son números ordinarios (o clásicos) llamados números c, como al decir "5 metros". A cada punto del espacio se le asignan tres números de campo eléctrico y tres números de campo magnético.

En la teoría cuántica, en cambio, hablamos de campos cuánticos en los que cada punto del espacio no se describe con números individuales, sino con tablas de números. Estas tablas se denominan números cuánticos o números q. Por eso mucha gente considera que el artículo de Heisenberg de 1925 es el inicio de la física cuántica: él fue el primero en proponer la actualización de las posiciones y los momentos de las partículas a números q. Esta diferencia entre los números c y los números q es simple pero profunda; volveremos sobre ella más adelante.

Sin embargo, no todo el mundo está preparado para tomar en serio todas las implicaciones de los campos cuánticos. Cuando los físicos tomaron el campo electromagnético clásico y lo cuantificaron, esto implicó que el campo podía oscilar en más modos de los que antes era posible. En el campo cuántico, hay cuatro de estos modos y la teoría predice que el campo debería poder manifestarse como partículas, en este caso fotones, en cada uno de ellos. Pero aquí está lo extraño: solo podemos detectar fotones en dos de estos modos. Los otros dos se cancelan y no son detectables, ni siquiera en principio. Por lo tanto, estos fotones «fantasma» son inobservables, pero inevitables.

¿Es esto filosóficamente problemático? Quizás. Pero no es algo inusual. Gran parte de la ciencia funciona así. Postulamos cosas como estas porque, sin ellas, el poder explicativo de una teoría se desmoronaría.

No creo que debamos ocultar estas rarezas, sino aceptarlas. Chiara Marletto, mi colega de la Universidad de Oxford, y yo hemos sugerido que, aunque estos fantasmas no pueden detectarse directamente, deberían entrelazarse con los electrones en determinadas circunstancias y que este entrelazamiento podría, en principio, detectarse. Tal y como expusimos en un artículo de 2023, esto se podría hacer colocando un electrón en una superposición, tras lo cual, si estamos en lo cierto, debería entrelazarse con los fantasmas, lo que sería detectable con el tipo adecuado de medición cuidadosa. Se trata de un experimento desafiante, pero sin duda al alcance de la tecnología existente. Sería el equivalente cuántico de ver un fantasma.

Vlatko Vedral trabajando en un experimento de entrelazamiento en el laboratorio.

¿Qué significaría si este experimento demostrara que estos fantasmas pueden estar entrelazados, como espero que suceda? Lo más básico que normalmente consideramos capaz de estar entrelazado es una partícula. Pero los fantasmas no pueden considerarse realmente partículas. En realidad, solo son números q en una ecuación. Pero eso, para mí, es precisamente el quid de la cuestión. Son los números q los que son fundamentales, no la concepción humana de una «partícula». Da la casualidad de que las partículas tienen números q, y eso nos ha llevado a pensar erróneamente que las primeras son los elementos fundamentales de la realidad, cuando en realidad son los segundos.

Hay otra capa de sofisticación que refuerza mi argumento de que las partículas no son reales. Consideremos una partícula individual, por ejemplo, un electrón. En el lenguaje de la teoría cuántica básica, diríamos que, antes de medir esta partícula, se encuentra en una superposición de estados. Está aquí y allá, y ambas posibilidades se describen mediante números q. Pero ahora cambie su perspectiva. Si los números q son la esencia de la realidad, estos dos números q pueden ser los que están entrelazados entre sí. Dicho de otro modo, se podría decir que una partícula en superposición puede estar "entrelazada consigo misma".

No todos los físicos aceptarían que esto es posible, pero hace más de 15 años propuse un experimento que puede determinar la verdad, esta vez con mi colega Jacob Dunningham, ahora en la Universidad de Sussex, Reino Unido. Se toma una sola partícula y se deslocaliza su estado, de modo que se encuentra en una superposición de dos ubicaciones físicas diferentes. Para verificar experimentalmente si la superposición está entrelazada, es necesario realizar mediciones separadas en las dos ubicaciones diferentes y comprobar si violan una ecuación llamada desigualdad de Bell, el sello distintivo del entrelazamiento.

Ya hay algunas pruebas de que se produce este entrelazamiento de una sola partícula. Los experimentos realizados por Björn Hessmo en el Instituto Real de Tecnología KTH de Suecia y sus colegas en 2004 demostraron que los fotones individuales divididos entre dos posiciones violan la desigualdad de Bell. En otras palabras, los fotones no son elementos fundamentales de la realidad, lo que importa son sus números cuánticos. Sin embargo, los fotones no tienen masa y nadie ha hecho aún este experimento con un objeto con masa, como un átomo o incluso un electrón, mucho más ligero, porque esos experimentos son muy difíciles. Pero no me cabe duda de que el resultado sería el mismo.

¿Son reales el espacio y el tiempo?

Ahora estamos listos para hablar sobre el espacio y el tiempo. Algunas personas consideran que se trata de la última frontera de la física, y están relacionados con el mayor problema sin resolver de este campo, a saber, la combinación de los dos pilares de la física, la relatividad general y la teoría cuántica, en una teoría de la gravedad cuántica. Dado que hasta ahora he defendido que debemos pensar que todo está compuesto por números q, es posible que pienses que el espacio y el tiempo también deberían ser cuánticos. De hecho, muchos investigadores piensan así.

Pero aquí adopto una visión más radical: el espacio y el tiempo no existen en absoluto. Al igual que los "observadores", estos conceptos son solo etiquetas convenientes, dispositivos para llevar una contabilidad, pero no hay en realidad entidades físicas que correspondan con ellos. Por lo tanto, cuantizar la gravedad no significa cuantizar el espacio-tiempo, sino cuantizar el campo gravitatorio (actualizando los números c de Einstein a números q) de la misma manera que se cuantizan otros campos.

Adopto una postura más radical: el espacio y el tiempo no existen en absoluto.

Esto puede parecer un argumento de poco peso. Al fin y al cabo, en la relatividad general, se considera que el campo gravitatorio no es más que una curvatura del espacio-tiempo. Pero aquí es donde introduzco un giro: lo que se curva no es el espacio ni el tiempo, sino campos como el electromagnético, que mantiene unida toda la materia. Los átomos, las moléculas, los relojes y las reglas están unidos por el electromagnetismo. La función del campo gravitatorio es acoplarse a estos campos y decirles cómo curvarse. Por comodidad, hablamos de que estos campos se extienden a lo largo de una red invisible que llamamos espacio-tiempo. Está bien, pero no nos engañemos pensando que el espacio-tiempo es fundamental.

Algunos de mis colegas pueden considerar esto bastante extremo, y admito que es difícil pensar en algún experimento actual que pueda demostrar que tengo razón. Pero para mí, todo esto forma parte de tomar la teoría cuántica al pie de la letra. Sugiero que la gravedad debería ser como cualquier otro campo cuántico.

Junto con el espacio, el tiempo y los observadores, parece que las partículas podrían no ser un ingrediente fundamental de la realidad.

¿Entonces? ¿Sin partículas? ¿Ni espacio? ¿Ni tiempo? Así sería, en cambio, el ingrediente básico de la naturaleza sería el número q. Para terminar, exploremos cómo la aceptación plena de este principio podría conducirnos a nuevas perspectivas. Lo que voy a decir me recuerda la historia de cuando el filósofo Bertrand Russell impartía una conferencia sobre cosmología y un asistente interrumpió afirmando que el universo se sostiene sobre el caparazón de una gigantesca tortuga cósmica. Cuando Russell le preguntó sobre qué se apoyaba la tortuga, ella respondió: «¡Son tortugas todo hacia abajo hasta el infinito!». Mi propuesta es similar, aunque no hay tortugas involucradas.

Cuando hablamos de cómo interactúan los campos cuánticos, utilizamos una parte de las matemáticas llamada hamiltoniano cuántico. Durante mucho tiempo me ha molestado que estos hamiltonianos mezclen números q con números c ordinarios, por ejemplo, constantes físicas como la velocidad de la luz o la carga del electrón. Es algo habitual, pero a mí no me parece correcto. Durante el último siglo, los físicos tomaron ecuaciones clásicas y convirtieron algunas partes de ellas en cuánticas. Pero ¿no sería más limpio, y más acorde con la filosofía que he defendido, que nuestras ecuaciones fueran cuánticas de principio a fin?

No soy el primero en pensar así. En la década de 1980, el físico David Deutsch propuso eliminar por completo los números c, convirtiendo todas las cantidades de los hamiltonianos cuánticos en números q. Sin embargo, hacer esto tendría consecuencias extrañas. Tomemos solo una de las posibilidades y veamos la velocidad de la luz, que actualmente tratamos como un simple número c. Si la convirtiéramos en un número q —que, recordemos, siempre describe un punto en un campo cuántico—, esto implicaría que hay algún nuevo campo cuántico conectado a la velocidad de la luz. Sería un poco como lo que ocurrió cuando cuantificamos el campo electromagnético y obtuvimos esos molestos fantasmas, una sugerencia de que la realidad es más compleja de lo que pensábamos. Artículo original: https://www.newscientist.com/article/2500081-no-space-no-time-no-particles-a-radical-vision-of-quantum-reality/