¿Y si la mecánica cuántica no puede explicar la realidad?

En su experimento (que fue teórico, nunca se llegó a hacer con un gato real), el físico Erwin Schrödinger describía cómo un gato, encerrado dentro de una caja, permanece en un estado de incertidumbre entre la vida y la muerte. Esto es, ni vivo ni muerto hasta que alguien abra la caja para comprobarlo. Las extrañas leyes de la mecánica cuántica, en efecto, predicen que las partículas subatómicas permanecen en ese estado de incertidumbre hasta que son observadas, momento en el que se materializan en valores concretos. Y ahora, dos físicos suizos han ideado una versión moderna de la paradoja , reemplazando al gato por un físico que, siempre dentro de una caja, lleva a cabo, a su vez, experimentos.

Los resultados de Daniela Frauchiger y Renato Renner, del Instituto Federal Suizo de Tecnología, con sede en Zurich, se han publicado en Nature Communications y han causado un fuerte impacto en la comunidad científica.

Según escriben los investigadores en Nature, «la teoría cuántica proporciona una descripción extremadamente precisa de los procesos fundamentales en física. Por lo tanto, parece probable que la teoría sea aplicable más allá del dominio, principalmente microscópico, en el que se ha probado experimentalmente». Y el nuevo experimento teórico está, precisamente, diseñado para averiguar si «en principio, la teoría cuántica puede tener validez universal» .

«La idea -prosiguen Frauchiger y Renner- es que si la respuesta es sí, entonces debe ser posible emplear la teoría cuántica para modelar sistemas complejos que incluyan agentes que a su vez utilizan la teoría cuántica».

Y ahí fue, precisamente, donde las cosas empezaron a complicarse. Porque según se revela en el experimento, dos investigadores que observaran, desde fuera, un resultado o medida concreta obtenida por dos físicos, cada uno en una caja, s e encontrarían con resultados opuestos . ¡Y ambos serían válidos! Lo cual implica que la mecánica cuántica es inconsistente. «Esto indica -concluyen Frauchiger y Renner- que la teoría cuántica no se puede extrapolar a sistemas complejos, al menos no de manera directa». En otras palabras, la mecánica cuántica se contradice a sí misma y no resulta aplicable a nuestro mundo macroscópico.

Este experimento conceptual lleva ya dos años debatiéndose en los círculos de física, y ha conseguido dejar perplejos a un buen número de investigadores, incluso a los que están más que acostumbrados a trabajar en un campo en el que lo extraño forma parte de la rutina diaria. La opinión generalizada es que el trabajo de Frauchiger y Renner abre las puertas a un nuevo y nunca visto «nivel de rareza» .

Las implicaciones del trabajo son enormes, ya que invalidarían los resultados de otros experimentos y observaciones en múltiples campos de la ciencia. Experimentos que hasta ahora parecían correctos.

«Las pruebas experimentales directas de la teoría cuántica -escriben los autores en Nature- están restringidas principalmente a dominios microscópicos. Sin embargo, la teoría cuántica se considera comúnmente como (casi) universalmente válida. Y no solo se usa para describir procesos fundamentales en física de partículas y estado sólido, sino también, por ejemplo, para explicar el fondo cósmico de microondas o la radiación de agujeros negros».

De una forma u otra, en efecto, la mecánica cuántica subyace a casi toda la física moderna, y explica todo, desde la estructura de los átomos hasta por qué los imanes se adhieren entre sí. Pero sus fundamentos conceptuales siguen sin tener respuestas claras. Sus ecuaciones, por ejemplo, no pueden predecir el resultado exacto de una medición de la posición de un electrón , sino solo las probabilidades de que arroje valores particulares.

Por lo tanto, los objetos cuánticos, como los electrones, viven en una nube de incertidumbre, matemáticamente codificados en una «función de onda» que cambia de forma sin problemas, al igual que las ondas ordinarias en el mar. Sin embargo, cuando se mide una propiedad concreta, como la posición de un electrón, siempre se obtiene un valor preciso. Y ese valor no cambia si vuelve a medirse inmediatamente después.

La razón por la que esto es así fue propuesta, ya en la pasada década de los 20, por Niels Bohr y Werner Heisenberg, dos de los padres de la física cuántica. Se trata de la llamada «interpretación de Copenhague» (por la ciudad donde vivía Bohr), según la cual el mero acto de observar un sistema cuántico provoca un «colapso» de la función de onda, que pasa de tener toda una curva de posibles resultados a uno concreto.

La interpretación, sin embargo, no explicaba por qué en el mundo cuántico (donde viven los átomos) se siguen reglas diferentes de las que rigen nuestra experiencia cotidiana. Y es que las leyes clásicas a las que estamos acostumbrados dejan de funcionar en la escala subatómica, que parece seguir otras leyes diferentes. Por fortuna, nuestra experiencia nos enseña que aunque los objetos cuánticos vivan en estados inciertos, la observación experimental en nuestra escala de realidad (la macroscópica) siempre produce resultados concretos.

Pero ahora, Frauchiger y Renner han «expulsado» a los físicos de esta posición reconfortante .

En su novedoso experimento, los investigadores proponen un escenario considerablemente más complejo que el del gato en una caja. En 1935, Schrödinger colocó a su famoso gato dentro de una caja equipada con un mecanismo que podría, o no, liberar un veneno mortal en base a un suceso aleatorio, como la descomposición de un núcleo atómico. Por lo tanto, el estado del gato permanecía incierto hasta que el experimentador abría la caja y observaba si, efectivamente, el felino estaba vivo o muerto.

En el año 1967, el físico húngaro Eugene Wigner propuso una versión de la paradoja en la cual sustituía el gato y el veneno por un amigo físico que vivía dentro de la caja con un instrumento de medición capaz de ofrecer uno de dos posibles resultados, como una moneda que pudiera mostrar cara o cruz. Según algunos, en ese caso la función de onda se colapsaría en el momento en que el amigo de Wigner, dentro de la caja, observara el resultado final. Pero si aplicáramos la mecánica cuántica, el físico dentro de la caja debería estar observando un estado incierto, mitad cara, mitad cruz, hasta que Wigner abriera por fin la caja.

La versión de Frauchiger y Renner es aún más sofisticada. En su experimento, en efecto, existen dos Wigners, cada uno de ellos haciendo un experimento con un amigo físico que permanece dentro de una caja. Uno de los dos amigos (que podemos llamar Alice) puede arrojar una moneda y, utilizando su conocimiento de la física cuántica, preparar un mensaje cuántico para enviar al otro amigo (que podemos llamar Bob), que está dentro de la otra caja.

Usando su conocimiento de la teoría cuántica, Bob también podría descifrar el mensaje de Alice y conocer así el resultado de su lanzamiento de moneda. Frauchiger y Renner explican que, cuando los dos Wigners abran sus respectivas cajas podrán, algunas veces, concluir con certeza de qué lado cayó la moneda. Pero habrá ocasiones en las que sus conclusiones serán inconsistentes. En palabras de Renner, «Uno dirá: ´Estoy seguro de que es cruz´, y el otro dirá: 'Estoy seguro de que es cara´». Y ambos tendrán razón.

Como se ha dicho, se trata de un experimento puramente teórico y que resultaría imposible poner en práctica, ya que requeriría que los «dos Wigners» fueran capaces de medir todas y cada una de las propiedades cuánticas de sus amigos físicos, lo cual está fuera de nuestro alcance.

Lo que sí se podría hacer es que dos computadoras cuánticas hagan las veces de Alice y Bob. Aunque, según señala Renner, aún no tenemos computadoras cuánticas lo suficientemente sofisticadas.

Por el momento, la comunidad internacional de físicos sigue tratando de llegar a un acuerdo sobre las implicaciones de estos resultados. Según Renner, ha habido ya acaloradas respuestas de varios expertos, mientras que otros «incluso se emocionan, aunque la mayoría de la gente dice que el experimento muestra que su interpretación es la única correcta».