What does it feel like to be both alive and dead?
esa pregunta molestó e inspiró al físico húngaro-estadounidense Eugene Wigner en la década de 1960., Estaba frustrado por las paradojas que surgen de los caprichos de la mecánica cuántica—la teoría que gobierna el Reino microscópico que sugiere, entre muchas otras cosas contra intuitivas, que hasta que un sistema cuántico es observado, no necesariamente tiene propiedades definidas. Tomemos el famoso experimento mental de su compañero físico Erwin Schrödinger en el que un gato queda atrapado en una caja con veneno que se liberará si un átomo radiactivo se descompone., La radiactividad es un proceso cuántico, por lo que antes de que se abra la caja, cuenta la historia, el átomo se ha descompuesto y no se ha descompuesto, dejando al desafortunado gato en el limbo, una llamada superposición entre la vida y la muerte. ¿Pero el gato experimenta estar en superposición?
Wigner agudizó la paradoja imaginando a un (humano) amigo suyo encerrado en un laboratorio, midiendo un sistema cuántico. Argumentó que era absurdo decir que su amigo existe en una superposición de haber visto y no visto una decadencia a menos y hasta que Wigner abra la puerta del laboratorio., «El experimento mental ‘wigner’s friend’ muestra que las cosas pueden volverse muy raras si el observador también es observado», dice Nora Tischler, física cuántica de la Universidad Griffith en Brisbane, Australia.
Ahora Tischler y sus colegas han llevado a cabo una versión de la prueba de amigo de Wigner. Al combinar el experimento mental clásico con otro rascador cuántico llamado entrelazamiento, un fenómeno que une partículas a través de vastas distancias, también han derivado un nuevo teorema, que afirman que pone las restricciones más fuertes hasta ahora en la naturaleza fundamental de la realidad., Su estudio, que apareció en Física de la naturaleza el 17 de agosto, tiene implicaciones para el papel que la conciencia podría desempeñar en la física cuántica, e incluso si la teoría cuántica debe ser reemplazada.
el nuevo trabajo es un «importante paso adelante en el campo de la metafísica experimental», dice el físico cuántico Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto, quien no participó en el estudio. «Es el comienzo de lo que espero que sea un gran programa de investigación.,»
una cuestión de gusto
hasta que la física cuántica llegó en la década de 1920, los físicos esperaban que sus teorías fueran deterministas, generando predicciones para el resultado de los experimentos con certeza. Pero la teoría cuántica parece ser inherentemente probabilística. La versión del libro de texto, a veces llamada La interpretación de Copenhague, dice que hasta que se midan las propiedades de un sistema, pueden abarcar una miríada de valores. Esta superposición solo colapsa en un solo estado cuando se observa el sistema, y los físicos nunca pueden predecir con precisión cuál será ese estado., Wigner sostuvo la opinión entonces popular de que la conciencia de alguna manera desencadena una superposición para colapsar. Por lo tanto, su amigo hipotético discerniría un resultado definitivo cuando él o ella hiciera una medición, y Wigner nunca la vería en superposición.
esta vista ha caído en desgracia. «Las personas en los fundamentos de la mecánica cuántica rápidamente descartan la visión de Wigner como espeluznante y mal definida porque hace que los observadores sean especiales», dice David Chalmers, filósofo y científico cognitivo de la Universidad de Nueva York., Hoy en día, la mayoría de los físicos coinciden en que los objetos inanimados pueden hacer que los sistemas cuánticos se superpongan a través de un proceso conocido como decoherencia. Ciertamente, los investigadores que intentan manipular superposiciones cuánticas complejas en el laboratorio pueden encontrar su arduo trabajo destruido por partículas de aire rápidas que chocan con sus sistemas. Así que llevan a cabo sus pruebas a temperaturas ultracélidas y tratan de aislar sus aparatos de las vibraciones.,
varias interpretaciones cuánticas han surgido a lo largo de las décadas que emplean menos mecanismos místicos, como la decoherencia, para explicar cómo las superposiciones se rompen sin invocar la conciencia. Otras interpretaciones sostienen la posición aún más radical de que no hay colapso en absoluto. Cada uno tiene su propia extraña y maravillosa toma en la prueba de Wigner. La más exótica es la visión de «muchos mundos», que dice que cada vez que haces una medición cuántica, la realidad se fractura, creando universos paralelos para acomodar todos los resultados posibles., Por lo tanto, el amigo de Wigner se dividiría en dos copias y, «con una supertecnología lo suficientemente buena», podría medir a esa persona para que estuviera en superposición desde fuera del laboratorio, dice el físico cuántico y fanático de muchos mundos Lev Vaidman de la Universidad de Tel Aviv.
la teoría alternativa «Bohmiana» (llamada así por el físico David Bohm) dice que en el nivel fundamental, los sistemas cuánticos tienen propiedades definidas; simplemente no sabemos lo suficiente sobre esos sistemas para predecir con precisión su comportamiento., En ese caso, el amigo tiene una sola experiencia, pero Wigner aún puede medir que ese individuo está en una superposición debido a su propia ignorancia. En contraste, un recién llegado relativo en el bloque llamado La interpretación QBism abarca el elemento probabilístico de la teoría cuántica de todo corazón (QBism, pronunciado «cubismo», es en realidad la abreviatura de bayesianismo cuántico, una referencia al trabajo del matemático del siglo 18 Thomas Bayes sobre la probabilidad., Los qbistas argumentan que una persona solo puede usar la mecánica cuántica para calcular cómo calibrar sus creencias sobre lo que medirá en un experimento. «Los resultados de la medición deben considerarse personales para el agente que realiza la medición», dice Ruediger Schack de Royal Holloway, Universidad de Londres, quien es uno de los fundadores de QBism. De acuerdo con los principios del QBism, la teoría cuántica no puede decir nada sobre el estado subyacente de la realidad, ni puede Wigner usarlo para especular sobre las experiencias de su amigo.,
otra interpretación intrigante, llamada retrocausalidad, permite que los eventos en el futuro influyan en el pasado. «En un relato retrocausal, el amigo de Wigner experimenta absolutamente algo», dice Ken Wharton, físico de la Universidad Estatal de San José, quien es un defensor de esta visión que tuerce el tiempo. Pero ese «algo» que el amigo experimenta en el punto de medición puede depender de la elección de Wigner de cómo observar a esa persona más tarde.,
el problema es que cada interpretación es igualmente buena—o mala—para predecir el resultado de las pruebas cuánticas, por lo que elegir entre ellas se reduce al gusto. «Nadie sabe cuál es la solución», dice Steinberg. «Ni siquiera sabemos si la lista de posibles soluciones que tenemos es exhaustiva.»
otros modelos, llamados teorías de colapso, hacen predicciones comprobables. Estos modelos se adhieren a un mecanismo que obliga a un sistema cuántico a colapsar cuando se hace demasiado grande, lo que explica por qué los gatos, las personas y otros objetos macroscópicos no pueden estar en superposición., Están en marcha experimentos para buscar firmas de tales colapsos, pero hasta ahora no han encontrado nada. Los físicos cuánticos también están colocando objetos cada vez más grandes en superposición: el año pasado un equipo en Viena informó que lo hacía con una molécula de 2.000 átomos. La mayoría de las interpretaciones cuánticas dicen que no hay razón por la que estos esfuerzos para superposiciones de gran tamaño no deben continuar hacia arriba para siempre, suponiendo que los investigadores puedan idear los experimentos correctos en condiciones de laboratorio prístinas para que se pueda evitar la decoherencia., Las teorías de colapso, sin embargo, postulan que un día se alcanzará un límite, independientemente de cuán cuidadosamente se preparen los experimentos. «Si tratas de manipular a un observador clásico—un humano, por ejemplo—y lo tratas como un sistema cuántico, colapsaría inmediatamente», dice Angelo Bassi, físico cuántico y defensor de las teorías del colapso en la Universidad de Trieste en Italia.
una forma de ver a Wigner’s Friend
Tischler y sus colegas creían que analizar y realizar un experimento de wigner’s friend podría arrojar luz sobre los límites de la teoría cuántica., Se inspiraron en una nueva ola de artículos teóricos y experimentales que han investigado el papel del observador en la teoría cuántica al traer el entrelazamiento a la configuración clásica de Wigner. Digamos que tomas dos partículas de luz, o fotones, que están polarizadas para que puedan vibrar horizontal o verticalmente. Los fotones también se pueden colocar en una superposición de vibración horizontal y vertical al mismo tiempo, al igual que el gato paradójico de Schrödinger puede estar vivo y muerto antes de ser observado.,
tales pares de fotones se pueden preparar juntos-enredados-para que sus polarizaciones siempre se encuentren en la dirección opuesta cuando se observan. Eso puede no parecer extraño, a menos que recuerde que estas propiedades no se fijan hasta que se miden., Incluso si un fotón es entregado a un físico llamado Alice en Australia, mientras que el otro es transportado a su colega Bob en un laboratorio en Viena, entanglement asegura que tan pronto como Alice observa su fotón y, por ejemplo, encuentra su polarización horizontal, la polarización del fotón de Bob se sincroniza instantáneamente con la vibración vertical. Debido a que los dos fotones parecen comunicarse más rápido que la velocidad de la luz, algo prohibido por sus teorías de la relatividad, este fenómeno preocupó profundamente a Albert Einstein, quien lo denominó «acción espeluznante a distancia».,»
estas preocupaciones permanecieron teóricas hasta la década de 1960, cuando el físico John Bell ideó una manera de probar si la realidad es realmente espeluznante, o si podría haber una explicación más mundana detrás de las correlaciones entre socios enredados. Bell imaginó una teoría de sentido común que era local, es decir, una en la que las influencias no podían viajar entre partículas instantáneamente. También era determinista en lugar de inherentemente probabilístico, por lo que los resultados experimentales podrían, en principio, predecirse con certeza, si solo los físicos entendieran más sobre las propiedades ocultas del sistema., Y era realista, lo que, para un teórico cuántico, significa que los sistemas tendrían estas propiedades definidas incluso si nadie las mirara. Luego Bell calculó el nivel máximo de correlaciones entre una serie de partículas enredadas que una teoría local, determinista y realista podría soportar. Si ese umbral fue violado en un experimento, entonces una de las suposiciones detrás de la teoría debe ser falsa.
tales «pruebas de campana» se han llevado a cabo desde entonces, con una serie de versiones estancas realizadas en 2015, y han confirmado la espeluznante realidad., «Las fundaciones cuánticas es un campo que realmente comenzó experimentalmente por Bell, ahora con más de 50 años. Y hemos pasado mucho tiempo reimplementando esos experimentos y discutiendo lo que significan», dice Steinberg. «Es muy raro que la gente pueda llegar a una nueva prueba que se mueva más allá de Bell.
el objetivo del equipo de Brisbane era derivar y probar un nuevo teorema que hiciera precisamente eso, proporcionando restricciones aún más estrictas-límites de «amistad local» – sobre la naturaleza de la realidad. Al igual que la teoría de Bell, la imaginaria de los investigadores es local., También prohíben explícitamente el «superdeterminismo», es decir, insisten en que los experimentadores son libres de elegir qué medir sin ser influenciados por eventos en el futuro o en el pasado distante. (Bell asumió implícitamente que los experimentadores también pueden tomar decisiones libres. Finalmente, el equipo prescribe que cuando un observador hace una medición, el resultado es un evento real y único en el mundo, no es relativo a nadie ni a nada.,
probar la amabilidad local requiere una configuración astuta que involucra a dos «superobservadores», Alice y Bob (que juegan el papel de Wigner), observando a sus amigos Charlie y Debbie. Alice y Bob tienen su propio interferómetro, un aparato utilizado para manipular haces de fotones. Antes de ser medidas, las polarizaciones de los fotones están en una superposición de ser tanto horizontales como verticales. Los pares de fotones enredados se preparan de tal manera que si la polarización de uno se mide para ser horizontal, la polarización de su pareja debe voltearse inmediatamente para ser vertical., Un fotón de cada par enredado es enviado al interferómetro de Alice, y su pareja es enviada a Bob. Charlie y Debbie no son realmente amigos humanos en esta prueba. Más bien, son desplazadores de haz en la parte delantera de cada interferómetro. Cuando el fotón de Alice golpea el desplazador, su polarización se mide efectivamente, y se desvía hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de la dirección de la polarización en la que encaje. Esta acción juega el papel del amigo de Alice, Charlie, «midiendo» la polarización. (Debbie reside de manera similar en el interferómetro de Bob.,)
Alice entonces tiene que tomar una decisión: puede medir el nuevo camino desviado del fotón inmediatamente, lo que sería el equivalente a abrir la puerta del laboratorio y preguntarle a Charlie lo que vio. O puede permitir que el fotón continúe su viaje, pasando por un segundo desplazador de haz que recombina los caminos izquierdo y derecho, el equivalente a mantener la puerta del laboratorio cerrada. Alice puede entonces medir directamente la polarización de su fotón a medida que sale del interferómetro., A lo largo del experimento, Alice y Bob eligen independientemente qué opciones de medición tomar y luego comparan notas para calcular las correlaciones vistas a través de una serie de pares enredados.
Tischler y sus colegas realizaron 90.000 Corridas del experimento. Como era de esperar, las correlaciones violaron los límites originales de Bell y, lo que es crucial, también violaron el nuevo umbral de amistad local., El equipo también podría modificar la configuración para reducir el grado de enredo entre los fotones enviando a uno de los pares en un desvío antes de que entrara en su interferómetro, perturbando suavemente la armonía perfecta entre los socios. Cuando los investigadores ejecutaron el experimento con este nivel ligeramente inferior de enredo, encontraron un punto en el que las correlaciones aún violaban el límite de Bell, pero no la amabilidad local. Este resultado demostró que los dos conjuntos de límites no son equivalentes y que las nuevas restricciones de proximidad son más fuertes, dice Tischler., «Si las violas, aprendes más sobre la realidad», agrega. Es decir, si su teoría dice que los» amigos » pueden ser tratados como sistemas cuánticos, entonces debe renunciar a la localidad, aceptar que las mediciones no tienen un solo resultado en el que los observadores deben estar de acuerdo o permitir el superdeterminismo. Cada una de estas opciones tiene implicaciones profundas—y, para algunos físicos, claramente desagradables—.,
reconsiderando la realidad
«El artículo es un importante estudio filosófico», dice Michele Reilly, cofundadora de Turing, una empresa de computación cuántica con sede en la ciudad de Nueva York, que no participó en el trabajo. Ella señala que los físicos que estudian los fundamentos cuánticos a menudo han luchado para llegar a una prueba factible para respaldar sus grandes ideas. «Estoy encantado de ver un experimento detrás de los estudios filosóficos», dice Reilly. Steinberg llama al experimento «extremadamente elegante» y elogia al equipo por abordar el misterio del papel del observador en la medición de frente.,
aunque no es de extrañar que la mecánica cuántica nos obligue a renunciar a una suposición de sentido común—los físicos lo sabían desde Bell—»el avance aquí es que estamos reduciendo cuál de esas suposiciones es», dice Wharton, quien tampoco formó parte del estudio. Sin embargo, señala, los defensores de la mayoría de las interpretaciones cuánticas no perderán el sueño. Los fanáticos de la retrocausalidad, como él mismo, ya han hecho las paces con el superdeterminismo: en su opinión, no es sorprendente que las mediciones futuras afecten los resultados pasados., Mientras tanto, los Qbistas y los seguidores de muchos mundos hace mucho tiempo desecharon el requisito de que la mecánica cuántica prescribe un único resultado en el que todo observador debe estar de acuerdo.
y tanto la mecánica Bohmiana como los modelos de colapso espontáneo ya abandonaron felizmente la localidad en respuesta a Bell. Además, los modelos de colapso dicen que un verdadero amigo macroscópico no puede ser manipulado como un sistema cuántico en primer lugar.
Vaidman, que tampoco estuvo involucrado en el nuevo trabajo, está menos entusiasmado con él, sin embargo, y critica la identificación del amigo de Wigner con un fotón., Los métodos utilizados en el documento «son ridículos; el amigo tiene que ser macroscópico», dice. El filósofo de la física Tim Maudlin de la Universidad de Nueva York, que no formó parte del estudio, está de acuerdo. «Nadie piensa que un fotón es un observador, a menos que seas un panpsíquico», dice. Debido a que ningún físico cuestiona si un fotón se puede poner en superposición, Maudlin siente que el experimento carece de mordida. «Descarta algo, solo algo que nunca nadie propuso», dice.
Tischler acepta la crítica. «No queremos exagerar lo que hemos hecho», dice., La clave para futuros experimentos será aumentar el tamaño del «amigo», agrega el miembro del equipo Howard Wiseman, físico de la Universidad Griffith. El resultado más dramático, dice, implicaría el uso de una inteligencia artificial, encarnada en una computadora cuántica, como el amigo. Algunos filósofos han meditado que tal máquina podría tener experiencias humanas, una posición conocida como la fuerte hipótesis de IA, señala Wiseman, aunque nadie sabe aún si esa idea resultará ser cierta. Pero si la hipótesis se mantiene, esta inteligencia general artificial (AGI) basada en cuántica sería microscópica., Así que desde el punto de vista de los modelos de colapso espontáneo, no desencadenaría el colapso debido a su tamaño. Si se realizara tal prueba, y no se violara el límite de amistad local, ese resultado implicaría que la conciencia de un AGI no puede ponerse en superposición. A su vez, esa conclusión sugeriría que Wigner tenía razón en que la conciencia causa el colapso. «No creo que vaya a vivir para ver un experimento como este», dice Wiseman. «Pero eso sería revolucionario.,»
Reilly, sin embargo, advierte que los físicos que esperan que el futuro AGI les ayude a comprender la descripción fundamental de la realidad están poniendo el carro antes que el caballo. «No es inconcebible para mí que las computadoras cuánticas sean el cambio de paradigma para llegar a nosotros en AGI», dice. «En última instancia, necesitamos una teoría de todo para construir un AGI en una computadora cuántica, punto, punto.»
ese requisito puede descartar planes más grandiosos. Pero el equipo también sugiere pruebas intermedias más modestas que involucran sistemas de aprendizaje automático como amigos, lo que atrae a Steinberg., Ese enfoque es «interesante y provocativo», dice. «Se está haciendo concebible que los dispositivos computacionales a Mayor y mayor escala puedan, De hecho, medirse de manera cuántica.»
Renato Renner, un físico cuántico en el Instituto Federal Suizo de tecnología de Zurich (ETH Zurich), hace una afirmación aún más fuerte: independientemente de si se pueden llevar a cabo experimentos futuros, dice, el nuevo teorema nos dice que la mecánica cuántica necesita ser reemplazada., En 2018 Renner y su colega Daniela Frauchiger, entonces en ETH Zurich, publicaron un experimento mental basado en el amigo de Wigner y lo usaron para derivar una nueva paradoja. Su configuración difiere de la del equipo de Brisbane, pero también involucra a cuatro observadores cuyas mediciones pueden enredarse. Renner y Frauchiger calcularon que si los observadores aplican leyes cuánticas unos a otros, pueden terminar inferiendo diferentes resultados en el mismo experimento.
«el nuevo artículo es otra confirmación de que tenemos un problema con la teoría cuántica actual», dice Renner, quien no participó en el trabajo., Argumenta que ninguna de las interpretaciones cuánticas de hoy en día puede salir de la llamada paradoja de Frauchiger-Renner sin que los defensores admitan que no les importa si la teoría cuántica da resultados consistentes. Los qbist ofrecen el medio de escape más apetecible, porque desde el principio, dicen que la teoría cuántica no se puede usar para inferir lo que otros observadores medirán, dice Renner. «Sin embargo, todavía me preocupa: si todo es solo personal para mí, ¿Cómo puedo decir algo relevante para ti?»añade., Renner ahora está trabajando en una nueva teoría que proporciona un conjunto de reglas matemáticas que permitirían a un observador trabajar lo que otro debería ver en un experimento cuántico.
aún así, aquellos que creen firmemente que su interpretación favorita es correcta ven poco valor en el estudio DE Tischler. «Si crees que la mecánica cuántica no es saludable y necesita ser reemplazada, entonces esto es útil porque te dice nuevas restricciones», dice Vaidman. «Pero no estoy de acuerdo en que este sea el caso—muchos mundos lo explica todo.,»
por ahora, los físicos tendrán que seguir estando de acuerdo en no estar de acuerdo sobre qué interpretación es la mejor o si se necesita una teoría completamente nueva. «Ahí es donde lo dejamos a principios del siglo 20, estamos realmente confundidos sobre esto», dice Reilly. «Pero estos estudios son exactamente lo correcto para pensar en ello.»
Descargo de Responsabilidad: el autor escribe con frecuencia para el Foundational Questions Institute, que patrocina la investigación en física y cosmología y financia parcialmente el estudio del equipo de Brisbane.