Un físico rebelde tiene una elegante solución a un misterio cuántico

Las teorías que tenemos para describir la naturaleza del Universo son completamente incompatibles. Entra un excéntrico físico polaco, con una posible solución al mayor problema

Andrzej Dragan no es de los que siguen las reglas. Como fotógrafo, utiliza una extensa postproducción para describir mundos que se salen de control de manera inquietante: cabezas partidas por la mitad; novias sangrantes y estrellas muertas reinventadas durante mucho tiempo en la vejez.

Sin embargo, en el trabajo principal de Dragan como físico en la Universidad de Varsovia en Polonia, las críticas contra el cumplimiento no siempre son apreciadas. Especialmente cuando esas ideas podrían sacudir los dos pilares que forman nuestra comprensión fundamental del mundo: la relatividad general y la mecánica cuántica.

Estas teorías son los logros culminantes de la física moderna, que describen la naturaleza de una manera especial pero separada. La relatividad general se ocupa de los grandes objetos y eventos familiares del universo, mientras que la mecánica cuántica cubre el micro-mundo invisible y extraño que nos rodea, donde las partículas subatómicas pueden atravesar barreras que no tienen nada que cruzar o donde dos mil partículas se iluminan – años distantes pueden hacerlo. responder instantáneamente a los movimientos del otro.

La mayoría de las veces, esta configuración funciona bien. Si miras cómo la gravedad de una estrella masiva dobla la luz, sacas tu manual de relatividad general. Y si desea comprender cómo se mueven los electrones a través de un chip de computadora, necesitará su tarjeta confiable para la física cuántica. Pero hay ocasiones en las que se necesita un poco de ambos. Tratando de entender qué pasó en los primeros momentos del Big Bang o qué estaba pasando en el corazón de los agujeros negros, por ejemplo.

En estas situaciones, el énfasis está en un problema evidente: la relatividad general y la mecánica cuántica parecen ser completamente incompatibles. La relatividad general universal, continua y suave, describe los conflictos con el discreto y extraño de la física cuántica. Cuando reúnes sus ecuaciones, obtienes una tontería.

Para tratar de reconciliarlos, los físicos generalmente asumen que la mecánica cuántica es más o menos la verdadera descripción de la naturaleza y luego se mezclan con la relatividad para que encaje. Este enfoque le ha dado al mundo ideas ricas y complejas, como la teoría de cuerdas. Pero dejó a los físicos frustrados, incapaces de asociar las ecuaciones de malabarismo con la realidad. Dragan aborda este problema desde un ángulo diferente, tratando de describir la naturaleza en términos de relatividad.

Décadas antes de que comenzara a analizar los vínculos entre el mundo cuántico y la relatividad, ya estaba bien establecido un vínculo entre la relatividad especial (la primera teoría de Einstein que describía el espacio y el tiempo antes de agregar aceleración a su teoría general de la relatividad) y la mecánica cuántica. De hecho, la teoría cuántica de campos, que subyace a nuestra comprensión moderna de cómo interactúan los bloques de materia, une la mecánica cuántica y la relatividad especial. Pero lo hace de una manera que los considera como dos piezas independientes y distintas de un rompecabezas más grande.

Dragan sintió que esta conexión necesitaba profundizarse: “Es más que la parte más profunda de la teoría cuántica de campos”, dice. “Es casi como si la teoría cuántica hiciera exactamente lo que la relatividad permite y nada más”.

Siguiendo esta línea de pensamiento, en 2008, Dragan comenzó a investigar matemáticas. Recordó que las ecuaciones de la relatividad especial permiten dos ramas de soluciones: una que conduce al mundo familiar en el que la materia viaja a la velocidad de la luz y otra en la que siempre viaja más rápido que la velocidad de la luz.

Debido a que no hay evidencia física de que algo pueda viajar más rápido que la velocidad de la luz, las soluciones más rápidas que la luz siempre se desechan. Pero, matemáticamente, estas soluciones siguen siendo válidas. Entonces Dragan pensó, ¿por qué no mantener las soluciones más rápidas que la luz y ver qué sucede? Cuando lo hizo, descubrió un mundo que les resultaría más familiar a los teóricos cuánticos.

En este mundo, en lugar de que una partícula siga un camino bien definido, su movimiento es difícil de identificar, descrito por capas de probabilidades complejas que corresponden a diferentes resultados posibles, al igual que lo que se conoce como superposición en física cuántica. Además, si un físico en este mundo intentara medir ciertas propiedades de esta partícula varias veces, no obtendría el mismo resultado todas las veces. Los resultados pueden ser aleatorios, al igual que en la mecánica cuántica.

En esencia, Dragan demostró que en un mundo gobernado por la relatividad especial, los efectos cuánticos contrarios a la intuición no deberían aceptarse como fundamentales. En otras palabras, al incluir las partes inusuales “no físicas” de las ecuaciones de la relatividad especial, los fenómenos obviamente aleatorios y claramente cuánticos ocurren naturalmente.

Unos meses más tarde, al darse cuenta de la enormidad de lo que había descubierto, Dragan tomó estos pensamientos y cálculos en papel y envió el trabajo a una revista científica. Pero el manuscrito fue rechazado dos veces. “Estaba completamente decepcionado por esto”, dice. “Pensé que no me molestaría más, lo dejaría atrás”.

Dragan dejó su decepción y trabajó felizmente en una rama de los cálculos cuánticos llamada información cuántica relativista. Luego, en 2010, recibió un correo electrónico de Artur Ekert que lo devolverá inmediatamente a sus meditaciones sobre la relatividad y la mecánica cuántica. Ekert fue y es una figura destacada en información cuántica y un pionero de la criptografía cuántica, con doble nacionalidad polaco-británica y profesor dual en la Universidad de Oxford y la Universidad Nacional de Singapur. El correo electrónico invitaba a Dragan a Singapur para discutir los vínculos entre sus investigaciones.

Al darse cuenta de una afinidad intelectual de inmediato, durante varias visitas, Ekert y Dragan desarrollaron una amistad, sintiéndose tan cómodos hablando sobre algoritmos cuánticos como bromeando entre ellos con acertijos matemáticos.

Cuando Dragan finalmente compartió sus ideas sobre cómo podría aparecer la aleatoriedad cuántica en la relatividad especial, Ekert estaba ansioso por involucrarse. “Pensé que era agradable”, dice. Hasta entonces, Dragan había explorado sus ideas en un mundo de juguetes con una única dimensión de espacio y tiempo. Ekert animó y ayudó a Dragan a ir más allá y ver si todavía funciona en el mundo real del espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

“Como dos músicos de jazz que se encuentran de vez en cuando y dan un concierto juntos”, dice Ekert sobre las reuniones de la pareja en Singapur. En el verano de 2019, Dragan y Ekert escribieron un artículo en el que resumían su nueva teoría.

Con recuerdos de rechazo arremolinándose en su mente antes de enviarlo al New Journal of Physics, Dragan le dio a Ekert una última oportunidad para retirarse antes de publicar los resultados: “¿No tienes miedo de ponerte en peligro para la reputación?” Preguntó Dragan. Ekert quedó impresionado con su respuesta: “La reputación del tornillo”.

A diferencia de los intentos anteriores de Dragan en solitario, el periódico pasó por su primera prueba, y los críticos académicos de la revista salieron ilesos. Y aunque se volvió viral en 2020 y obtuvo más de 30.000 descargas y contando, con mucho, la mayor parte de todos los artículos publicados el año pasado en la revista, el dúo tuvo (y todavía tiene) una lucha para ser tomado en serio por el tribunal de opinión científica. .

Un físico que se sintió inmediatamente atraído por las ideas de Dragan y Ekert es el científico cuántico Vlatko Vedral. Después de leer el artículo, Vedral, cuyo mentor de doctorado no oficial fue Ekert en el pasado, invitó a Dragan a presentar una discusión virtual a su grupo en la Universidad de Oxford. “Generaba mucha emoción”, dice. “Lo que me gusta de este enfoque es que a menudo pensamos en imponer la mecánica cuántica para todo lo demás; ¿Cómo hacemos que la relatividad se ajuste a la mecánica cuántica? Pero está tratando de cambiar eso. ”

Sin embargo, por cada Vedru abierto a escuchar ideas poco ortodoxas, hay muchos otros que sospechan de cualquier enfoque que no coloque a la física cuántica al frente y al centro. No solo se han extendido grietas con conceptos salvajes no físicos en esta área de la física, sino que está profundamente arraigada en la comunidad la idea de que los elementos que dudan de las mentes en la física cuántica simplemente no pueden explicarse más. Simplemente son.

Los críticos de este campo cuestionan tanto las hipótesis como los métodos utilizados por la pareja polaca para llegar a sus conclusiones. Por ejemplo, cuando Dragan discutió estas ideas con uno de los padres fundadores de la teoría de cuerdas, Holger Nielsen, la principal crítica del físico danés fue que la materia más rápida que la luz sería inestable y, por lo tanto, no física. Otro físico teórico, que pidió permanecer en el anonimato, creía que la pareja usaba matemáticas que cambian el punto de vista desde el cual se observa la física para cambiar la física subyacente en sí, lo que nunca deberían hacer.

A menudo, sin embargo, estas críticas se reducen a dos puntos: que nadie ha detectado nunca algo que viaja más allá de la velocidad de la luz, y que si algo ha viajado tan rápido, el viaje en el tiempo es posible. El viaje en el tiempo conduce a lo que se conoce como paradojas causales. La más famosa de ellas es la paradoja del abuelo: la idea de que si viajas en el tiempo y matas a tu abuelo, tu propio nacimiento será imposible.

Dragan y Ekert afirman que estos críticos no captan la idea. “No estamos diciendo que haya objetos que viajen más rápido que la luz; podría existir, pero eso no es parte de nuestros argumentos ”, dice Ekert. “Lo que estamos diciendo es que puedes mirar el mundo desde una perspectiva que excede la velocidad de la luz”.

Desde este punto de vista, más rápido que la luz, puede cambiar el orden de causa y efecto. Este es un resultado clave, porque la física básica debe permanecer igual, ya sea que esté viendo eventos que tienen lugar por encima o por debajo del límite de velocidad cósmica. Y si esto es cierto, la pareja argumenta que el orden de los eventos ya no juega un papel fundamental en la teoría.

Dragan dice que todo esto significa que no hay paradojas por las que responder. “Si lo mira detenidamente, encontrará que las reglas de causalidad han cambiado. Pero no se destruyen por completo, se modifican exactamente como nos dice la teoría cuántica ”.

Tanto Dragan como Ekert admiten que el trabajo está lejos del final de la historia y que no saben si realmente podrán deducir la teoría cuántica a partir de la relatividad especial. Pero, si pueden, transformará la forma en que los investigadores abordan la reconciliación del hermano mayor de la relatividad especial, la relatividad general, con la mecánica cuántica. “Si me convence de que la mecánica cuántica es el resultado de la relatividad, entonces deberíamos reconsiderar cuáles son las entidades fundamentales en mi teoría”, dice Vedral. “Y tal vez el camino hacia una versión cuántica de la relatividad general sea muy diferente”.

Si Covid-19 no hubiera causado confusión en el mundo, Dragan y Ekert estarían trabajando en ello ahora mismo en Singapur. Pero por ahora, están contentos de que la mera confrontación contra el cumplimiento haya renovado el interés en encontrar formas alternativas de resolver uno de los problemas más peligrosos de la física moderna. “Tenemos que trabajar más, seguro, pero lo que me gusta de este trabajo es que no es aburrido, ¿verdad?” dice Ekert. “Creará emociones de una forma u otra y servirá como documento de apertura para una mayor investigación”.

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