Cómo el mundo clásico emerge de los misterios cuánticos
Físicos demuestran cómo el mundo clásico que conocemos puede surgir de los complejos universos de la «interpretación de los muchos mundos». Esta teoría de la mecánica cuántica dice que cada vez que ocurre un evento cuántico con múltiples resultados posibles, el cosmos se divide en varios universos paralelos.
Por Enrique Coperías
Un nuevo estudio científico aborda una de las cuestiones más fundamentales y debatidas de la física cuántica: cómo nuestra realidad clásica emerge de un multiverso cuántico según la interpretación de los muchos mundos (MWI). Imagen generada con DALL-E
Los estudiantes de Mecánica Cuántica aprenden la ecuación de Schrödinger y cómo resolverla para obtener una función de onda, una representación matemática en la mecánica cuántica que describe el estado cuántico de un sistema. Contiene toda la información sobre las propiedades posibles del sistema, como la posición y el momento de una partícula.
Sin embargo, se omite un paso crucial que ha desconcertado a los científicos desde los primeros días de la teoría: ¿cómo surge el mundo clásico a partir de un gran número de soluciones cuánticas?
Cada función de onda tiene su forma y energía asociada, pero el colapso que genera el mundo clásico, con objetos como átomos o incluso gatos vivos o muertos, sigue siendo un enigma. A un nivel básico, esto se explica mediante la regla de Born, que dice que la probabilidad de encontrar una partícula en un estado o posición es proporcional al cuadrado de la amplitud de su función de onda.
El físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) utilizó su famoso experimento mental del gato para ilustrar las extrañas consecuencias del colapso cuántico: un simple evento, como la desintegración radiactiva de un átomo, puede traducirse en que un gato dentro de una caja esté vivo o muerto. En la mecánica cuántica tradicional, el gato solo elige un estado definido –vivo o muerto– cuando se abre la caja y se mide su estado, lo que provoca el colapso de la función de onda.
Imagina un gato en una caja con un mecanismo que tiene un 50% de probabilidad de matarlo (por ejemplo, un átomo radiactivo que puede o no desintegrarse). Según la mecánica cuántica, mientras no abras la caja, el gato está simultáneamente vivo y muerto porque ambos estados coexisten. Solo al observarlo (abrir la caja) se define su estado, ya sea vivo o muerto. Esto resalta cómo la observación afecta la realidad cuántica. Imagen generada con DALL-E
En las últimas décadas, los físicos han investigado más profundamente este proceso, y han explorado alternativas a la interpretación de la mecánica cuántica considerada tradicional u ortodoxa (interpretación de Copenhague), como son la teoría de la onda piloto de De Broglie-Bohm y la interpretación de los muchos mundos (MWI, por sus siglas en inglés) de la mecánica cuántica.
La primera propone que las partículas tienen posiciones definidas en todo momento, guiadas por una "onda piloto" que evoluciona según la ecuación de Schrödinger. La onda piloto introduce el concepto de un determinismo subyacente en la mecánica cuántica, donde el comportamiento de las partículas está determinado por la onda, eliminando la necesidad de que el acto de observación colapse la función de onda, como en la interpretación estándar de Copenhague.
Por su parte, la interpretación de los muchos mundos sugiere que cada vez que ocurre un evento cuántico con múltiples resultados posibles, el universo se divide en varios universos paralelos, uno para cada resultado.
¡Nada de colapsos internos!
Ahora, un equipo de investigadores españoles ha empleado simulaciones numéricas para demostrar que, a gran escala, las características clásicas pueden emerger de sistemas cuánticos. Su estudio, publicado en la revista Physical Review X, muestra que la descoherencia emergente explica cómo los sistemas aislados pueden exhibir un comportamiento clásico sin necesidad de colapsos externos ni interacciones con un entorno.
Philipp Strasberg, Teresa E. Reinhard y Joseph Schindler, del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona, en España, abordan en su trabajo una de las cuestiones más fundamentales y debatidas de la física cuántica: cómo nuestra realidad clásica emerge de un multiverso cuántico según la interpretación MWI.
Este estudio proporciona evidencia cuantitativa de que la descoherencia emergente, un fenómeno clave para entender la transición de la cuántica a lo clásico, puede ser demostrada utilizando simulaciones numéricas basadas en principios fundamentales. Esto resuelve preguntas esenciales sobre la la interpretación de los muchos mundos, en particular el problema de la base preferida, que plantea cómo se seleccionan las historias clásicas en un contexto cuántico.
El cosmos no es una única realidad
La interpretación de los muchos mundos sugiere que el universo no es una única realidad, sino una multitud de universos que coexisten y se ramifican continuamente debido a la evolución unitaria del estado cuántico global. Aunque esta idea puede parecer extravagante, ha ganado popularidad entre los físicos teóricos, porque evita los problemas asociados a la medición en la mecánica cuántica, como el colapso de la función de onda.
Sin embargo, para conectar esta teoría con nuestra experiencia diaria, es necesario entender cómo surgen las propiedades clásicas observables de esta compleja estructura cuántica.
El artículo, titulado First Principles Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories, aborda este problema utilizando la funcional de descoherencia —una herramienta matemática que describe cómo un sistema cuántico pierde su coherencia (superposición de estados) al interactuar con su entorno— dentro del marco de las historias consistentes.
En efecto, este concepto matemático permite analizar si un sistema cuántico puede comportarse de manera clásica al eliminar las interferencias cuánticas entre diferentes posibles historias.
Aunque la descoherencia ha sido tradicionalmente estudiada en sistemas abiertos mediante interacciones con un entorno, este estudio se enfoca en sistemas aislados, y demuestra que las propiedades clásicas pueden emerger sin necesidad de ruido externo.
Una demostración basada en principios fundamentales
El trabajo de Strasberg, Reinhard y Schindler ofrece simulaciones numéricas para sistemas cuánticos no integrables que interactúan y evolucionan según la ecuación de Schrödinger. Dichas simulaciones analizan un modelo de matriz aleatoria que captura la dinámica de sistemas complejos y muchos cuerpos.
Se consideraron sistemas con dimensiones del espacio de Hilbert –un espacio matemático donde se representan los estados cuánticos de un sistema– que varían en cuatro órdenes de magnitud, lo que permitió explorar la transición de pequeños sistemas cuánticos a aquellos de mayor escala, donde predomina el comportamiento clásico.
El enfoque principal fue evaluar la condición de historias descoherentes (DHC, por sus siglas en inglés), que requiere que las interferencias cuánticas entre diferentes historias sean cero o muy pequeñas. Los resultados revelaron que, para observables definidos como lentos y gruesos (coarse-grained), las historias descoherentes emergen de manera robusta. Estos observables son aquellos que evolucionan gradualmente en el tiempo y representan propiedades macroscópicas como energía, posición o temperatura.
Un hallazgo central fue la identificación de una ley de escalado que describe cómo los efectos cuánticos se suprimen exponencialmente con el tamaño del sistema. La interferencia cuántica, medida por la funcional de descoherencia, decrece aproximadamente como D−αD^{-α}, donde DD es la dimensión del espacio de Hilbert y α es un exponente que depende de las características del sistema. Esto implica que, para sistemas suficientemente grandes, los efectos cuánticos son prácticamente indetectables, permitiendo que las historias clásicas emergen con claridad.
De la lectura del artículo científico, pueden extraerse al menos cuatro resultados clave:
Descoherencia robusta. Las simulaciones mostraron que la descoherencia es robusta en sistemas no integrables con observables lentos. Esto significa que casi cualquier estado inicial puede dar lugar a historias descoherentes sin necesidad de suposiciones adicionales, como estados de baja entropía o promedios sobre conjuntos.
Supresión exponencial de efectos cuánticos. La descoherencia emergente sigue una ley de escalado que suprime los efectos cuánticos en función del tamaño del sistema. Este comportamiento sugiere que los universos ramificados de la MWI pueden describirse de manera consistente mediante historias clásicas.
Importancia de la no integrabilidad. La no integrabilidad del sistema, asociada a un comportamiento dinámico caótico, es clave para garantizar la robustez de la descoherencia. Esto respalda la hipótesis de que los sistemas complejos son ideales para estudiar la transición cuántico-clásica.
Efectos de las condiciones iniciales. Aunque los estados iniciales aleatorios produjeron resultados consistentes, los estados iniciales atípicos (como los estados propios de energía) mostraron diferencias cuantitativas en los patrones de descoherencia, aunque las conclusiones cualitativas se mantuvieron.
El trabajo en la revista Physical Review X también aborda el problema de la base preferida, que cuestiona cómo se seleccionan las bases que permiten describir nuestra experiencia clásica. En física cuántica, la base preferida es un conjunto de estados en los que un sistema tiende a colapsar o descoherir debido a su interacción con el entorno.
Según los autores, este problema se resuelve enfocándose en observables que son relevantes para la percepción humana: aquellos que son lentos, gruesos y estables. Estos observables, al ser compatibles con la descoherencia, definen de manera natural las historias clásicas que experimentamos.
Un aspecto destacado es que la descoherencia emergente no requiere colapsos ni interacciones con el entorno. Esto permite conectar la interpretación de los muchos mundos con nuestra realidad cotidiana sin necesidad de introducir suposiciones adicionales, como la decoherencia inducida por el entorno o el darwinismo cuántico, una idea que explica cómo la realidad clásica emerge de la mecánica cuántica.
Conexiones con el tiempo y la termodinámica
El darwinismo cuántico propone que ciertos estados cuánticos sobreviven y se replican al interactuar con el entorno, mientras que otros desaparecen. Los estados más robustos se vuelven accesibles para múltiples observadores, formando nuestra percepción compartida de una realidad objetiva.
Las simulaciones también mostraron cómo las historias descoherentes están asociadas con la entropía, que mide el grado de desorden o incertidumbre en un sistema, y los flujos de energía. Al modelar un sistema térmico fuera del equilibrio, se observó que las historias pueden tener flechas del tiempo distintas. Algunas describen flujos de calor del caliente al frío (en línea con la segunda ley de la termodinámica), mientras que otras presentan flechas invertidas o incluso ausencia de una dirección del tiempo.
Este hallazgo refuerza la idea de que el tiempo percibido en cada rama del multiverso depende de las condiciones locales y de los patrones de descoherencia. Así, el universo que habitamos es solo una de muchas posibilidades permitidas por las leyes cuánticas.
El estudio de los físicos cuánticos de la Universidad Autónoma de Barcelona tienen implicaciones prácticas en campos como la computación cuántica y la simulación de sistemas complejos. Imagen generada con Copilot
Un puente entre la mecánica cuántica y el mundo clásico
A modo de conclusión, el estudio de Strasberg, Reinhard y Schindler representa un avance significativo en la comprensión de la transición entre la mecánica cuántica y el mundo clásico. Al proporcionar una evaluación numérica de la descoherencia emergente, los autores han demostrado que la interpretación de los muchos mundos es compatible con nuestra experiencia clásica, siempre que se consideren observables relevantes para nuestra percepción.
Más allá de resolver problemas teóricos, estos resultados tienen implicaciones prácticas en campos como la computación cuántica y la simulación de sistemas complejos. Al comprender mejor cómo emergen las propiedades clásicas de sistemas cuánticos, los científicos podrán diseñar nuevas tecnologías y experimentos que exploren los límites entre lo cuántico y lo clásico. ▪️
Fuente: Philipp Strasberg, Teresa E. Reinhard, and Joseph Schindler. First Principles Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories. Physical Review X (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041027
