¿DÓNDE NOS DEJA TODO ESTO?

Estos enigmas persisten, de una u otra forma, en cualquier interpretación de la mecánica cuántica tal como hoy existe. Repasemos brevemente lo que la teoría cuántica estándar nos ha dicho realmente acerca de cómo debemos describir el mundo, especialmente en relación con estos intrigantes temas; y luego preguntemos: ¿a dónde vamos desde aquí?

Recordemos, antes de nada, que las descripciones de la teoría cuántica parecen aplicarse acertadamente (¿útilmente?) sólo al llamado nivel cuántico de moléculas, átomos o partículas subatómicas, pero también a dimensiones mayores siempre que las diferencias de energía entre posibilidades opcionales permanezcan muy pequeñas. En el nivel cuántico debemos tratar tales «opciones» como cosas que pueden coexistir en alguna especie de superposición con pesos estadísticos complejos. Los números complejos que se utilizan como pesos se llaman amplitudes de probabilidad. Cada diferente totalidad de opciones con pesos complejos define un diferente estado cuántico, y cualquier sistema cuántico debe describirse mediante uno de estos estados cuánticos. Con frecuencia, como sucedía muy claramente con el ejemplo del spin, no hay nada que decir sobre cuáles son las opciones «reales» que componen un estado cuántico y cuáles son sólo «combinaciones» de opciones. En cualquier caso, mientras el sistema permanezca en el nivel cuántico, el estado cuántico evoluciona de una forma completamente determinista. Esta evolución determinista es el proceso U, gobernado por la importante ecuación de Schrödinger.

Cuando los efectos de diferentes opciones cuánticas se amplifican hasta el nivel clásico, de modo que las diferencias entre las opciones son bastante grandes para que podamos percibirlas directamente, entonces esas superposiciones con pesos complejos ya no parecen persistir más. En su lugar, deben formarse los cuadrados de los módulos de las amplitudes complejas (es decir, tomar los cuadrados de sus distancias al origen en el plano complejo), y estos números reales juegan ahora un nuevo papel como probabilidades reales para las opciones en cuestión. Sólo una de las opciones sobrevive en la realidad de la experiencia física siguiendo el proceso R (llamado reducción del vector de estado o colapso de la función de onda y que es completamente diferente de U). Es aquí y solo aquí, donde hace su entrada el no determinismo de la teoría cuántica.

Puede defenderse con fuerza que el estado cuántico proporciona una imagen objetiva. Pero puede ser una imagen complicada y algo paradójica. Cuando varias partículas están involucradas, los estados cuánticos pueden (y normalmente lo «hacen») hacerse muy complicados. En tal caso, las partículas individuales no tienen «estados» por sí mismas sino que existen solamente en complicados «entramados» con otras partículas, conocidos como correlaciones. Cuando una partícula en una región es «observada», en el sentido de que desencadena algún efecto que se amplifica hasta el nivel clásico, entonces debe acudirse a R, pero en apariencia esto afecta simultáneamente a todas las demás partículas con la que esta partícula concreta está correlacionada.

Los experimentos del tipo Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) (como el de Aspect, en el que una fuente cuántica emite un par de fotones en direcciones opuestas y luego se miden independientemente sus polarizaciones cuando están a muchos metros de distancia) dan una sustancia observacional evidente a este enigmático aunque esencial hecho de la física cuántica: ¡ésta es no-local (de modo que los fotones en el experimento de Aspect no pueden tratarse como entidades independientes)! Si se considera que R actúa de una manera objetiva (y eso parecería estar implicado en la objetividad del estado cuántico) entonces el espíritu de la relatividad especial es violado en consecuencia. No parece existir ninguna descripción espacio-temporal objetivamente real del vector de estado (que se reduce) que sea consistente con los requisitos de la relatividad. Sin embargo, los efectos observacionales de la teoría cuántica no violan la relatividad.

La teoría cuántica guarda silencio sobre cuándo y por qué R debería tener lugar (¿o aparentarlo?). Además, no explica adecuadamente, por sí sola, porque el mundo del nivel clásico «parece» clásico. «La mayoría» de los estados cuánticos no se parece en absoluto a los clásicos.

¿Dónde nos deja todo esto? Creo que debemos considerar seriamente la posibilidad de que la mecánica cuántica sea sencillamente errónea cuando se aplica a cuerpos macroscópicos o, más bien que las leyes U y R sólo suministran excelentes aproximaciones a alguna teoría más completa aunque todavía desconocida. Es la combinación de estas dos leyes juntas, y no U por sí sola, la que ha proporcionado todo el maravilloso acuerdo con la observación de que goza la teoría actual. Si se extendiera la linealidad de U al mundo macroscópico tendríamos que aceptar la realidad física de combinaciones lineales complejas de diferentes posiciones (o diferentes spines, etc.) de bolas de cricket y similares.

¡El simple sentido común nos dice que el mundo no se comporta realmente de este modo! Las bolas de cricket se aproximan muy bien mediante las descripciones de la física clásica. Tienen posiciones razonablemente bien definidas, y no se las ve en dos lugares a la vez, como les permitirían estar las leyes de la mecánica cuántica. Si hay que reemplazar los procedimientos U y R por una ley más amplia, entonces, a diferencia de la ecuación de Schrödinger, esta nueva ley tendría que ser de carácter no lineal (ya que el propio R actúa de forma no lineal). Algunos presentan objeciones a esto, apuntando muy correctamente que buena parte de la elegancia matemática de la teoría cuántica estándar es resultado de su linealidad. Sin embargo, me sentiría sorprendido si la teoría cuántica no fuera a tener algún cambio fundamental en el futuro, hacia algo para lo que esta linealidad fuera sólo una aproximación. Ciertamente hay precedentes para este tipo de cambio. La poderosa y elegante teoría de Newton de la gravitación universal debía mucho al hecho de que las fuerzas de la teoría se suman de una manera lineal. Pero con la teoría de la relatividad general de Einstein se vio que esta linealidad era sólo una aproximación (si bien excelente), ¡y la elegancia de la teoría de Einstein supera incluso a la de Newton!

No me he andado con rodeos sobre el hecho de que creo que la resolución de los enigmas de la mecánica cuántica debe estar en el descubrimiento de una teoría mejorada. Aunque quizá no sea esta la opinión convencional tampoco es completamente no convencional. (Muchos de quienes dieron origen a la teoría cuántica eran también de este parecer. He citado las opiniones de Einstein. Schrödinger [1935], de Broglie [1956] y Dirac [1939] también consideraban provisional la teoría). Pero incluso si se piensa que la teoría debe ser modificada de alguna manera, las restricciones sobre cómo hacerlo son enormes. Quizá algún tipo de punto de vista de «variables ocultas» resultaría aceptable finalmente. Pero la no-localidad que muestran los experimentos de tipo EPR desafían seriamente cualquier descripción «realista» del mundo que pueda ocurrir cómodamente en un espacio-tiempo ordinario —un espacio-tiempo del tipo particular que nos ha sido dado para coincidir con los principios de la relatividad—, así que creo que se necesita un cambio mucho más radical. Además, nunca se ha encontrado ninguna discrepancia de ningún tipo entre la teoría cuántica y los experimentos, a menos, por supuesto, que consideremos como evidencia en contra la ausencia de bolas de cricket superpuestas linealmente. ¡En mi opinión, la no existencia de bolas de cricket superpuestas linealmente es ciertamente evidencia en contra! Pero esto, en sí mismo, no es de gran ayuda. Sabemos que en el nivel submicroscópico de las cosas las leyes cuánticas son válidas; pero en el nivel de las bolas de cricket es la física clásica la que vale. Sostendré que en algún lugar intermedio necesitamos comprender la nueva ley para ver como el mundo cuántico enlaza con el clásico. ¡Creo también que necesitamos esta nueva ley si queremos conocer alguna vez las mentes! Por todo esto pienso que debemos buscar nuevas claves.

En mis descripciones de la teoría cuántica en este capítulo he sido totalmente convencional, aunque con un énfasis quizá más geométrico y «realista» de lo que es usual. En el próximo capítulo trataremos de buscar algunas claves necesarias —claves que creo que nos pueden dar algunas ideas sobre una mecánica cuántica mejorada—. Nuestro viaje se iniciará cerca de casa, pero nos veremos obligados a viajar muy lejos. ¡Resulta que necesitaremos explorar dominios del espacio muy diferentes, y retroceder incluso al propio comienzo del tiempo!