Hay otros mundos pero no están en este, aunque interactúan con él


AliceThroughTheLookingGlass02Hoy ha caído en mis manos el artículo:

Donde se dice que la mecánica cuántica que vemos solo es la manifestación de muchos mundos clásicos interactuando.
Vamos que los autores han resuelto de un plomazo, (sí, a plomo), todos los problemas que teníamos con la mecánica cuántica.  Bueno, tampoco es así del todo, pero es lo que se lee en los medios que se han hecho eco.
En esta entrada voy a intentar explicar este artículo y las nuevas ideas que se introducen y su motivación.
Ale, a disfrutar un rato.

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El problema de la cuántica y su interpretación

psiEn mecánica cuántica se describen los estado de un sistema, generalmente se les denomina funciones de onda \psi.

Una de las características esenciales de la mecánica cuántica es que la función de onda o estado cuántico de un sistema puede ser una combinación de estados que dan resultados experimentales excluyentes.

Aquí viene el sacrosanto ejemplo del gato de Schrödinger:

El gato se mete en una caja con un elemento que tiene una probabilidad del 50% de matarlo.  La cuántica nos dice que mientras que no abramos la caja y observemos al gato este está en un estado superpuesto, combinado, del gato vivo y el gato muerto:

schrodonger_cat

Ese estado hay que leerlo del siguiente modo:

  • El estado del gato |\psi\rangle está compuesto por la superposición de dos estado, |Gato_{vivo}\rangle y $|Gato_{muerto}\rangle$.
  • La mecánica cuántica nos dice que cuando abramos la caja lo veremos o bien vivo, o bien muerto.  Estas son propiedades del sistema gato mutuamente excluyentes en nuestro nivel clásico, donde operan las leyes de Newton y no la mecánica cuántica. Pero además nos dice que la probabilidad de ver una cosa u otra nos la marca el cuadrado del coeficiente de cada estado de la combinación.  En este caso los cuadrados son 1/2, es decir, 50% de probabilidad.

Un problema gordo es que, aunque la cuántica vive bien con este tipo de estados, nosotros no podemos ver sistemas en combinaciones de estados excluyentes.  Vemos al gato vivo o al gato muerto pero no en una combinación.  Eso quiere decir que cuando hacemos la medida del estado superpuesto solo nos quedamos con una de las partes, la otra desaparece.  Ese hecho se denomina colapso de la función de onda y no tenemos ni idea de cómo o por qué pasa.

Por supuesto, todo esto del gato solo es un ejemplo extremo, muy bueno, pero solo un ejemplo.  En cuántica podemos trabajar con sistemas que están en estados combinados de diferentes energías aunque nosotros solo podemos ver que está en una única energía cuando la medimos en el sistema.  O el sistema puede ser descrito como una combinación de distintas ubicaciones espaciales aunque cuando medimos la posición del sistema nos da un valor.  Todo lo que podemos decir es con qué probabilidad lo encontraremos en un estado u otro de la combinación de estados inicial.

Explicaciones se han propuesto muchas para todo esto, ninguna de ellas plenamente convincente o que haya dado lugar a la posibilidad de comprobarla experimentalmente.  La de hoy es otra más, con cosas buenas y cosas malas.  Pero antes de profundizar en la explicación de hoy hay que introducir un poco la explicación de los muchos mundos de Everett.

Muchos mundos para Everett

Everett se aplicó a intentar explicar el colapso de la función de onda y lo que propuso es que el colapso en realidad no se daba.   La función de onda nunca colapsa, sino que en el acto de medir el universo al completo se desdobla en tantas ramas como estados tenga la combinación.  En el caso del gato, al abrir la caja el universo se desdobla en dos ramas, pero pudieran ser muchas más dependiendo de la combinación de estados.

Entonces lo que ocurre no es colapse la función de onda sino que nosotros percibimos el estado que está en la rama que nos ha tocado pero habrá otra copia de nosotros que perciba lo contrario.  Es decir, al abrir la caja el universo se desdobla en dos partes:

  1. En una vemos el gato vivo.
  2. En otra vemos el gato muerto.
  3. En todas las ramas hay una copia de todo, nosotros, la caja, el gato, etc, y no notamos el desdoblamiento del universo.

MWI_Schrodingers_cat

El universo sufrirá tantos procesos de división como medidas hagamos sobre estados cuánticos superpuestos y en cada una de ellas se dividirá en tantas ramas como estados que formen la combinación.

No vamos a discutir aquí los problemas de esta interpretación, pero por mencionar unos pocos:

  • ¿Cómo se divide el universo?
  • ¿Qué es medir cuánticamente? ¿Cómo sabe el universo que hemos hecho una medida?
  • ¿Cómo de rápido es el proceso?
  • ¿Es reversible o irreversible?
  • Etc.

Lo importante aquí es que un punto esencial en la interpretación de los muchos mundos de Everett cada rama separada del universo, potencialmente infinitas, no interactúa nunca jamás con el resto de ramas del mismo.   Se separan y en paz, adiós muy buenas.

Las bases del artículo de hoy

En el artículo que traemos hoy se dan una serie de ingredientes básicos:

  1. Hay muchos universos en los que las leyes de la física son pura y simplemente las leyes de Newton, es decir, la física clásica, la no cuántica.
  2. En esta imagen se parte de un número inmenso pero finitos de dichos universos.

Ahora hay que responder a unas cuantas preguntas:

¿De dónde salen las leyes de la cuántica?

Dicen que de la interacción entre esos universos.  La interacción es de tipo repulsivo siempre y cuando los universos que entren en juego estén en configuraciones casi idénticas.  Vamos, es una interacción que repele la igualdad de universos.

Si hay universos en configuraciones muy diferentes, estos ni se influyen ni se molestan.

¿De dónde salen las probabilidades cuánticas?

Como hemos dicho cuando tenemos un estado superpuesto la cuántica nos dice que probabilidad hay de medir cada estado de la composición.  En el caso del gato tenemos 50% para el gato vivo y 50% para el gato muerto.  Esas probabilidades nos la da la cuántica.

En el modelo expuesto en el artículo lo que nos dice es lo siguiente:

  • Las probabilidades aparecen porque nosotros no sabemos en qué universo de todos los posibles estamos.  Así que hay universos en los que el gato está vivo y universos en los que el gato está muerto.  En el experimento del gato, tal y como está diseñado, hay el mismo número de universos en el que el gato está vivo que de universos en el que está muerto, por lo tanto la probabilidad de que lo veamos vivo o muerto en el nuestro es del 50%.
  • Si creamos un estado que tiene probabilidad del 70% de estar vivo el gato y 30% de estar muerto significa que hay muchos más universos en los que el gato está vivo y muchos menos en los que está muerto.

Vamos, que simplemente es cuestión de números de universos.

¿Han verificado en el artículo que se recupera la cuántica?

No, como dicen en el propio artículo.  Lo que sí han confirmado es que dependiendo del número de universos se puede aproximar mucho el comportamiento cuántico de los sistemas.  Es una forma de emular la cuántica metiendo muchos universos de por medio.

Han comprobado que se pueden aproximar algunas cosas interesantes como:

  1. El teorema de Eherenfest.
  2. Las relaciones de indeterminación de Heisenberg.
  3. La dispersión del paquete de ondas.
  4. Cálculo de estados de mínima energía de sistemas muy simples como osciladores.
  5. Etc.

Sin embargo, la única forma de recuperar exactamente la cuántica es introduciendo infinitos universos en el juego.  Esto es un poco insastifactorio, la cuántica es una de las teorías mejor contrastadas experimentalmente, así que no basta con dar aproximaciones, hay que recuperar todos sus resultados y encontrar otros para tener una teoría que compita con ella.

Hay un hecho curioso, explican el efecto túnel como el efecto de la interacción entre dos universos de esos.

Efecto túnel

En cuántica hay veces en las que una partícula descrita por un estado cuántico puede hacer algo para lo que se le supone que no tiene energía suficiente.  Por ejemplo, una partícula lanzada contra una barrera de una determinada altura no podrá saltarla si no tiene la suficiente energía, llegará a la barrera y rebotará.  Pero eso es a nuestra escala.

Si estudiamos el mismo caso pero con un sistema cuántico nos llevaremos una sorpresa.  La cuántica nos dice que el sistema rebotará en la barrera muchas veces pero que hay una pequeña probabilidad de que la traspase y aparezca al otro lado.  Eso es lo que se conoce como efecto túnel.

La onda azul es la representación de la descripción cuántica de la onda.  Inicialmente está en la región 1 y se encuentra con la barrera.  La energía no es suficiente como para pasar a la región 3, la onda azul no tiene la altura necesaria para saltar la barrera.  Sin embargo, hay una pequeña probabilidad de que pase al otro lado, región 3, y eso se ve en que la curva azul en dicha región aumenta de 0 a un valor apreciable. Evidentemente, en la región 1 la probabilidad de encontrar la partícula es mayor que en la 3.

La onda azul es la representación de la descripción cuántica de la onda. Inicialmente está en la región 1 y se encuentra con la barrera. La energía no es suficiente como para pasar a la región 3, la onda azul no tiene la altura necesaria para saltar la barrera. Sin embargo, hay una pequeña probabilidad de que pase al otro lado, región 3, y eso se ve en que la curva azul en dicha región aumenta de 0 a un valor apreciable. Evidentemente, en la región 1 la probabilidad de encontrar la partícula es mayor que en la 3.

En el artículo explican el efecto túnel del siguiente modo:

  • Tenemos dos universos en los que la partícula se dirige hacia la barrera con una energía insuficiente para saltarla.
  • Debido a que en dichos universos la configuración es parecida ocurre que hay repulsión entre ellos.
  • La energía de repulsión puede ser absorbida por la partícula en un universo y acelerar para tener la energía necesaria para saltar la barrera.

Por tanto, el efecto túnel sería una manifestación de la repulsión entre universos parecidos.

Las pegas al artículo

¿De dónde salen esos universos? ¿Cuántos hay?

¿Por qué hay una interacción repulsiva entre universos en configuraciones parecidas? ¿Quién rige dicha interacción? ¿De dónde surge?

  1. Lo que recupera el modelo no es la mecánica cuántica sino una aproximación a la mecánica cuántica.  Para recuperar la mecánica cuántica hay que considerar infinitos universos.
  2. El modelo se circunscribe a mecánica cuántica no relativista, es decir, no explica el origen de la antimateria, del espín, de las partículas elementales que conocemos del modelo estándar.
  3. El modelo no dice nada de procesos tales como entrelazamiento o teleportación, que son elementos esenciales de la mecánica cuántica verificados experimentalmente.
  4. El modelo no calcula el espectro no relativista del átomo de hidrógeno.

Lo que me gusta

Lo que me gusta del artículo es:

  1. Reconocen que es un modelo muy preliminar.
  2. Aceptan que no es una alternativa viable, por ahora, a la cuántica pero que es un marco de aproximación a la misma.
  3. Plantean la necesidad de investigar los temas oscuros que he comentado en los puntos anteriores.

Así que podría ser un divertimento y una forma de introducir, jugando, la mecánica cuántica.  Tal vez el modelo sea un buen método de aproximar sin mucha parafernalia efectos cuánticos sabiendo que solo es una herramienta para ello.

Por ahora, la cuántica no tienen rival.

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Nos seguimos leyendo…

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15 Respuestas a “Hay otros mundos pero no están en este, aunque interactúan con él

  1. Si es por explicar la cuantica, no sería más lógica la razón de que las partículas elementales hasta ahora descritas pueden salir del universo, es decir, pueden salir del tiempo y del espacio forma indirecta de probar otra quinta dimensión virtual o sin soporte material.

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  4. De acuerdo con la idea del artículo como método para explicar de forma práctica algunos de los procesos cuánticos, y asumiendo que el potencial de copia de los universos es infinito, esta idea me recuerda a un algoritmo de búsqueda con memoria asociativa. Me explico, para cada estado de un universo en un momento dado, se ejecuta un paso de cada función posible, y eso da lugar a un número (me gustaría pensar que es un número finito) de universos en el instante siguiente. Todos los universos de un instante anterior son destruídos (o convertidos en los universos sucesores), de forma que sólo el instante actual (con todas sus variaciones) es mantenido “vivo” en la memoria. Ese proceso funciona siempre en segundo plano, y no hay forma de pararlo.

    Ahora bien, cuando se quiere “leer” cualquiera de los atributos en un universo concreto, la única forma de encontrar el valor de la variable, es realizando una búsqueda entre los universos disponibles en la memoria. La búsqueda siempre lleva implícitos el universo e instante desde el que se quiere medir, que se usan como patrones (directrices) para encontrar el universo (almacenado en memoria) del que leer el valor de la variable. Por supuesto, el valor devuelto corresponde a cualquiera de los universos que coincida con los parámetros de búsqueda. De ahí que parezca que los universos sólo se relacionan con sus vecinos más similares.

    Y eso me lleva a pensar (otra vez), que muy bien podríamos estar viviendo en una simulación.

  5. ¿Podría estar ahí la respuesta a las cuestiones que planteas en anteriores entradas sobre si seres extraterrestres nos podrían visitar y cómo?

  6. Antonio (AKA "Un físico")

    Enrique dice: “la única forma de recuperar exactamente la cuántica es introduciendo infinitos universos en el juego”. Y luego en las pegas añade: “¿De dónde salen esos universos? ¿Cuántos hay?”.
    Hawking, hablando del multiverso (en algo relacionado con la teoría M): estimó que habían: N = 10^500. Por otro lado, en el artículo original citado por esta entrada se toma N = 41 para describir la interferencia cuántica en un experimento de la doble rendija.
    Cuando me hablan de multi-mundos, (por ejemplo cuando la persona con el nick “Planck” los defiende) siempre me pregunto: ¿cuántos hay?.
    Por otro lado, sabéis que yo soy partidario de los modelos dinámicos (1107.2138v4): puesto que explican la cuántica sin artificios. Pero implican que habría que ir abandonando conceptos como: dualidad onda corpúsculo, colapso de la función de onda, etc. A Enrique le fastidiaría puesto que la cuántica también tendría que abandonar paradojas como la del “gato muerto” y “gato vivo”; y entonces él tendría que cambiar el logo de su sitio web y de su gravatar 🙂 .

    • El número 10^{500} es una estimación hecha de los posibles vacíos de la teoría de cuerdas que admiten una constante cosmológica positiva y cercana a cero. En ningún caso se infiere que existan todos esos vacíos se hayan realizado en un universo. El número ese es solo una cota, no se sabe si hay más, si son infinitos vacíos, etc. Todo esto depende de las compactificaciones de las dimensiones extra y de los dilatones presentes.

      Respecto a los modelos dinámicos del colapso, sobre todo los basados en mecánica cuántica pura y dura, lo que explican es como vemos un único resultado no superpuesto en las medidas. Pero eso no significa que nieguen la superposición de estados, así que el gato de Schrödinger puede seguir estando en un estado superpuesto vivo y muerto aunque entendamos que en una medida solo lo veamos vivo o muerto pero no superpuesto. Es una diferencia sutil pero importante.

      • Antonio (AKA "Un físico")

        Claro, los modelos dinámicos no niegan la superposición de estados (estas combinaciones lineales son un postulado fundamental de la MC). Pero yo a estos modelos dinámicos les quito las palabras “del colapso”: yo creo que hay que ir pasando de fenomenologías de colapso a las dinámicas híbridas (en donde se tengan en cuenta: el sistema conjunto S+A y las escalas temporales en la tabla 1, p155/201, del 1107.2138v4).
        En “toy-models” de estas dinámicas híbridas se podría ver cómo en las escalas temporales apropiadas: fenómenos, por ejemplo como el de la decoherencia, causarían naturalmente lo que los físicos del S.XX llamaban colapso.

        • Lo malo es que todavía no he visto ninguna demostración general de todo esto. Solo he visto explicaciones sobre sistemas concretos y nunca prescindiendo de un elemento de decoherencia ambiental, que es el cajón desastre de este tema. Por otra parte en el artículo que citas dicen que resuelven el problema del colapso en una medida individual pero yo solo veo que hablan de colectivos y subcolectivos. Y al final de todo, en este artículo también, el colapso se puede resumir en: Tú ves el resultado de la medida y entonces redefines los estados. No sé, lo mismo me he perdido algo.

  7. Ha faltado la ecuación

    Multiverso cuántico interactivo en n-dimensiones => por lo tanto, Dios.*

    Que ya obvia la necesidad de otros cálculos, porque lo explica todo.

    * mi variedad de dios, no la de otros, ojo.

  8. Lo que no me cuadra de este modelo es como pasando distintos sucesos en los distintos universos, cómo se siguen pareciendo tanto que puedan seguir interactuando. Cada vez serian mas distintos y terminarian por no interaccionar. Supongo que este mismo hecho es lo que hace que necesiten infinitos universos para tener un modelo igual al cuantico.
    Luego habria que ver cuantas dimensiones son necesarias, ya que con una quinta solo interaccionariamos por localidad con las mas cercanas.

    No se fisica cuantica, y no puedo poner un ejemplo real ni saber si se puede hacer. Pero creo que demostrar esta teoria seria facil. La cuestion seria hacer multiples experimentos encadenados, que sean excluyentes para algunos universos, hasta que te quedes solo con el nuesto. Seria hacer un experimento tipo gato de schrödinger , haciendo el siguiente experimento con el resultado del experimento anterior, consiguiendo en cada paso un experimento que excluya todos los universos que dieron el otro resultado.

    Tal vez, se pueda hacer con reacciones químicas que tengan varios posibles moleculas resultantes y las moleculas resultantes tengan otra serie de resultantes, así en varios niveles.
    Si hubiera por ejemplo una reaccion con 3 niveles, con solo un 1% de posibilidades de que se forme la mas rara de las moléculas en cada nivel. Cuando apareciera dicha molecula, sabemos que solo podrán usarla un 1% de los universos totales. Al segundo nivel, un 1 % del 1%. Si obtenemos la molécula rara 3 veces, solo podriá interactuar con un 0, 0001 % de los universos, si son éstos limitados, que es lo que se espera, se deberian apreciar cambios o poder llegar a imposibilitar interactuar con cualquier otro universo.

  9. Pues yo flipo con la imaginación de algunos. Fascinante manera de hacer una aproximación a la cuántica. Y me parece que como modelo preliminar no esta mal: hay modelos preliminares mucho peores. Ahora faltaría ver si tienen un modo de sugerir predicciones experimentales que “le den alas” o la descarten. Lo que se le lleva pidiendo a cuerdas al menos veinte años….(a mi la de Everett es la que siempre me ha gustado más: no veo ningún problema en que haya infinitos universos desdoblándose constantemente. El único problema es que eso es indemostrable de ser así. )

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