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por Mark Buchanan
30 Marzo 2009
Edici�n de la revista 2701

del sitio Web NewScientist

traducci�n de Adela Kaufmann
Versi�n original en ingles

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La teor�a cu�ntica parece demasiado rara para creer.

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Las part�culas pueden estar en m�s de un lugar al mismo tiempo. No existen hasta que las mide. M�s fantasmag�rico a�n, pueden incluso estar en contacto cuando est�n separadas por grandes distancias.

Einstein pens� que todo esto era un poco demasiado, creyendo que era la evidencia de los principales problemas de la teor�a, como muchos cr�ticos todav�a sospechan hoy. Entusiastas cu�nticos se�alan el extraordinario �xito de la teor�a para explicar el comportamiento de los �tomos, los electrones y otros sistemas cu�nticos. Insisten en que tenemos que aceptar la teor�a tal como es, por extra�a que parezca.�

Pero �y si hubiera una manera de reconciliar estos dos puntos de vista opuestos, al mostrar c�mo la teor�a cu�ntica podr�a surgir de un nivel m�s profundo no- raro de la f�sica?

Si escuchas el f�sico Tim Palmer, empieza a sonar plausible.

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Lo que se ha perdido, seg�n �l, son algunas de las ideas clave de un �rea de la ciencia que los f�sicos cu�nticos m�s han ignorado: la ciencia de los fractales, los patrones intrincados que se encuentran en todo, desde las superficies fracturadas a los flujos oce�nicos.

Tome la matem�tica de los fractales en cuenta, dice Palmer, y los enigmas de larga data de la teor�a cu�ntica puede ser mucho m�s f�cil de entender. Incluso podr�an disolverse.

Es un argumento que est� atrayendo la atenci�n de los f�sicos de todo el mundo.

"Su enfoque es muy interesante y refrescante y diferente", dice el f�sico Robert Spekkens del Instituto Perimeter de F�sica Te�rica en Waterloo, Canad�. "�l no est� tratando de reinterpretar el formalismo cu�ntico usual, sino que derivarlo de algo m�s profundo."

Que Palmer est� haciendo este argumento puede parecer un poco extra�o, ya que �l es un cient�fico de clima de trabajo en el Centro Europeo de Medio Plazo Previsiones meteorol�gicas en Reading, Reino Unido.

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Tiene m�s sentido cuando usted se entera de que Palmer estudi� relatividad general en la Universidad de Oxford, que trabaja bajo el mismo asesor de doctorado como Stephen Hawking.

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As�, mientras que Palmer ha pasado los �ltimos 20 a�os, el establecimiento de una reputaci�n como climat�logo matem�tico l�der, tambi�n ha continuado explorando los misterios de su primer inter�s, la teor�a cu�ntica.

"Han sido necesarios 20 a�os de pensamiento," dice Palmer, "pero yo creo que la mayor parte de las paradojas de la teor�a cu�ntica pueden muy bien tener una resoluci�n simple y comprensible."

Los argumentos sobre la teor�a cu�ntica� se han prolongado desde la d�cada de 1920, a partir de una serie de intercambios famosos entre Einstein y el f�sico dan�s Niels Bohr.

Bohr y sus seguidores cre�an que la descripci�n acertada de la teor�a de los �tomos y la radiaci�n significaba que deb�a abandonar conceptos filos�ficos antiguos, como la idea de que los objetos tienen propiedades definidas incluso cuando no hay nadie all� para medirlas.

Einstein y sus seguidores respondieron que tal radicalismo era salvajemente prematuro. Argumentaron que gran parte de la rareza cu�ntica no era nada m�s que una falta de conocimientos adecuados.

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Encuentra las "variables ocultas" de un sistema cu�ntico, Einstein sospecha, y la teor�a cu�ntica podr�a tener sentido com�n, una visi�n que los entusiastas cu�nticos pensaron era ultraconservadora y fuera de toque.

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El argumento se libra hasta este d�a.�

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Los Fractales se Unen

Palmer cree que su trabajo demuestra que es posible que Einstein y Bohr pudieron haber hecho hincapi� en diferentes aspectos de la misma f�sica sutil.

"Mi hip�tesis est� motivada por dos conceptos que no han sido conocidos por los padres fundadores de la teor�a cu�ntica", dice: los agujeros negros y los fractales.

Las ideas de Palmer comienzan con la gravedad.

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La fuerza que hace que las manzanas caigan y que sostiene a los planetas en su �rbita es tambi�n el �nico proceso f�sico fundamental capaz de destruir la informaci�n.

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Funciona as�: el gas caliente y el plasma que forman una estrella contienen una enorme cantidad de informaci�n encerrada en los estados at�micos de un gran n�mero de part�culas. Si la estrella se colapsa bajo su propia gravedad para formar un agujero negro, la mayor�a de los �tomos son absorbidos, resultando en la desaparici�n de casi toda la informaci�n detallada.

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En lugar de ello, el agujero negro se puede describir completamente utilizando s�lo tres cantidades - su masa, el impulso angular y carga el�ctrica.

Muchos f�sicos aceptan este punto de vista, pero Palmer piensa que no han seguido sus implicaciones lo bastante lejos. A medida que el sistema pierde la informaci�n, el n�mero de estados necesarios para describirlo disminuye. Espere lo suficiente y usted encontrar� que el sistema alcanza un punto en que no hay m�s estados que perder.

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En t�rminos matem�ticos, este subconjunto especial de estados se conoce como un conjunto invariante. Una vez que el estado se encuentra en este subgrupo, se queda en el para siempre.�

Una forma simple de pensar en ello es imaginar un p�ndulo ralentiz�ndose debido a la fricci�n antes de finalmente llegar a una parada completa. Aqu�, el conjunto invariante es el que describe el p�ndulo en reposo.

Debido a que los agujeros negros destruyen informaci�n, Palmer sugiere que el universo tiene un conjunto invariante tambi�n, aunque es mucho m�s complicado que el p�ndulo.�

Los sistemas complejos se ven afectados por el caos, lo que significa que su comportamiento puede ser influenciado en gran medida por cambios m�nimos. De acuerdo a las matem�ticas, el conjunto invariante de un sistema ca�tico es un fractal.

Conjuntos invariantes de fractales tienen propiedades geom�tricas inusuales. Si se trazaran en un mapa ser�a trazar la misma estructura intrincada como una l�nea de costa. Haga zoom sobre ella y encontrar� m�s y m�s detalle, con los patrones vi�ndose similar a la imagen original sin zoom inicial.

La gravedad y las matem�ticas por s� solas, sugiere Palmer, implica que el conjunto invariante del universo deber�a tener una estructura similar intrincada, y que el universo est� atrapado para siempre en este subconjunto de todos los estados posibles.

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Esto podr�a ayudar a explicar por qu� el universo a nivel cu�ntico parece tan extra�o.

Por ejemplo, se puede apuntar a una explicaci�n natural para uno de los mayores enigmas de la f�sica cu�ntica, lo que los f�sicos se refieren como su "contextualidad".

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La teor�a cu�ntica parece insistir en que las part�culas no tienen propiedades antes de ser medidas. En cambio, el acto mismo de la medici�n aporta sus propiedades a la existencia. O, dicho de otra manera, los sistemas cu�nticos s�lo tienen sentido en el contexto de los experimentos particulares realizados en ellos.

Desde Einstein, muchos f�sicos han esperado que un nuevo enfoque podr�a ir m�s all� de la teor�a cu�ntica y encontrar una manera de restaurar la creencia en las propiedades objetivas e independientes. Pero en 1967, los matem�ticos Simon Kochen y Ernst Specker publicaron un teorema que demuestra que este sue�o, si es posible, no se puede hacer absolutamente de la manera en que a los f�sicos les gustar�a.

Central al teorema de Kochen y Specker es un experimento mental.�

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Digamos que usted elije medir diferentes propiedades de un sistema cu�ntico, como la posici�n o la velocidad de una part�cula cu�ntica. Cada vez que lo haga, usted encontrar� que sus medidas est�n de acuerdo con las predicciones de la teor�a cu�ntica.

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Kochen y Specker demostraron que es imposible concebir una hip�tesis que puede hacer las mismas predicciones exitosas como la teor�a cu�ntica, si las part�culas tienen propiedades preexistentes, como ser�a el caso de la f�sica cl�sica.

Este resultado ha llevado a muchos f�sicos a llegar a una sorprendente conclusi�n acerca de c�mo interpretar la teor�a cu�ntica.

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Ya sea que usted tiene que renunciar a la existencia de cualquier tipo de realidad objetiva, en lugar de creer que los objetos no tienen propiedades hasta que se miden, o usted tiene que aceptar que las partes distantes del universo comparten una conexi�n fantasmal que les permite compartir informaci�n incluso cuando est�n a distancia, y el tiempo significa que ninguna se�al podr�a haber pasado entre ellos sin tener que viajar m�s r�pido que la luz.

La idea de Palmer sugiere una tercera posibilidad - que el tipo de experimentos considerados por Kochen y Specker son simplemente imposibles de conseguir respuestas de y por lo tanto irrelevantes.

La clave es el invariante conjunto. Seg�n la hip�tesis de Palmer, el conjunto invariante contiene todos los estados f�sicamente realistas del universo. Por lo que cualquier Estado que no es parte del conjunto invariante no puede existir f�sicamente.

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Suponga que usted realice el experimento de pensamiento, el Kochen-Specker y medir la posici�n de un electr�n. Entonces le pregunta qu� habr�a encontrado si repetimos el experimento, pero esta vez la medici�n de la velocidad del electr�n en su lugar.

Seg�n Palmer, al repetir el experimento usted est� probando un universo hipot�tico de que es id�ntico al real, salvo que el equipo de medici�n de posici�n es reemplazado por el equipo de medici�n de la velocidad.

Aqu� es donde la naturaleza fractal de los invariantes establece la materia. Considere la posibilidad de un lugar de inter�s que desea visitar a lo largo de una costa. Si entiende las coordenadas incluso ligeramente mal usted podr�a terminar en el mar en vez de donde desea estar.

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De la misma manera, si el universo hipot�tico no reside en el fractal, entonces ese universo no est� en el conjunto invariante y por lo tanto no puede existir f�sicamente.

Debido a la naturaleza libre y tenue de los fractales, incluso los cambios sutiles en los universos hipot�ticos podr�an causar que caigan fuera del conjunto invariante.

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De esta manera, Spekkens dice, la hip�tesis de Palmer puede ayudar a hacer un poco de sentido de la contextualidad cu�ntica.

"Creo que su enfoque es muy interesante y novedoso", dice Spekkens.

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"Otros f�sicos han demostrado c�mo se puede encontrar una manera de salir del problema Kochen-Specker, pero este trabajo en realidad ofrece un mecanismo para explicar el teorema."

A ra�z de esto, Palmer cree que muchas otras caracter�sticas de la teor�a cu�ntica tambi�n caen en su lugar.

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Por ejemplo, la teor�a cu�ntica es famosa por hacer s�lo predicciones estad�sticas -� s�lo puede decir la probabilidad de encontrar un electr�n con su esp�n mec�nico-cu�ntico apuntando hacia arriba.

Esto surge de forma natural, sugiere Palmer, porque la teor�a cu�ntica es ciega a la estructura fractal intrincada del conjunto invariante. Al igual que nuestros ojos no pueden discernir los detalles m�s peque�os de patrones fractales, la teor�a cu�ntica s�lo ve "aproximaciones de grano grueso", como si estuviera mirando a trav�s de� gafas difusas.

Otros f�sicos parecen inspirados por la novedad del enfoque de Palmer.

"Lo que hace esto realmente interesante es que se aleja de los habituales debates sobre m�ltiples universos y variables ocultos y as� sucesivamente", dice Bob Coecke, un f�sico de la Universidad de Oxford.

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"Esto sugiere que podr�a haber una geometr�a f�sica subyacente que la f�sica acaba de pasar por alto, que es radical y muy positiva."�

Bob Coecke se�ala que muy pocos cient�ficos que trabajan en f�sica fundamental han explorado c�mo los fractales pueden ser incorporados a la teor�a, a pesar de que son comunes en otras partes de la f�sica.

Palmer espera que eso cambie. En un documento presentado a la revista Proceedings of the Royal Society A, �l muestra c�mo la idea b�sica puede dar cuenta de la incertidumbre cu�ntica, contextualidad y otros misterios cu�nticos (The Invariant Set Postulate - A New Geometric Framework for the Foundations of Quantum Theory and the Role Played by Gravity).

Muchos detalles todav�a tienen que ser desarrollados, dice Coecke.

"Palmer logra explicar algunos fen�menos cu�nticos," dice, "pero todav�a no ha derivado toda la estructura r�gida de la teor�a. Esto es realmente necesario."

Palmer acepta la cr�tica y tiene la esperanza de que va a ser capaz de mejorar su teor�a con el tiempo. En el mejor de los mundos, �l piensa que su marco puede proporcionar una manera de finalmente reunir las partes en conflicto de Einstein y los seguidores de Bohr.

Despu�s de todo, la teor�a respalda la visi�n de Einstein de que la teor�a cu�ntica es muy incompleta. Es, dice Palmer, ciega a la estructura fractal del conjunto invariante. Si no fuera, se dar�a cuenta de que el mundo no s�lo es determinista, sino que nunca muestra ning�n efecto escalofriante.

Por otro lado, tambi�n est� de acuerdo con la opini�n de Bohr y sus seguidores:

las propiedades de los sistemas cu�nticos individuales no son independientes de todo el mundo, especialmente los experimentos que los humanos utilizamos para explorarlas. Estamos atrapados con el hecho preocupante de que la forma en que medimos siempre influye lo que encontramos.

Por ahora, la teor�a cu�ntica sigue siendo un misterio, pero su aire de misticismo no puede durar para siempre.

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Ambiciones Quantum

Cuando Tim Palmer termin� su doctorado en f�sica en la Universidad de Oxford, hace 30 a�os, tuvo la oportunidad de trabajar el postdoctorado con Stephen Hawking en la Universidad de Cambridge.

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El tema candente en la f�sica te�rica en ese entonces era la supergravedad, una teor�a que pretend�a incluir la gravedad en un universo con 11 dimensiones.

A pesar del entusiasmo de Hawking a la idea, Palmer se mantuvo tibio.

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La supergravedad toma la teor�a cu�ntica como un punto de partida incuestionable y luego trata de traer la gravedad en su seno, un enfoque que Palmer encontr� poco atractivo.

"Sent� que la teor�a cu�ntica era en el mejor de los casos una teor�a provisional", recuerda Palmer.

En lugar de ello, se cambi� a la ciencia del clima, donde estableci� r�pidamente una reputaci�n internacional.

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Hoy Palmer es conocido por ser pionero en un m�todo llamado predicci�n por conjuntos, que incorpora el papel del caos para crear pron�sticos clim�ticos que incluyen estimaciones espec�ficas de su propia exactitud.

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Pero aun cuando el trabajo de Palmer se hizo ampliamente influyente - tanto as� que ha tomado un papel clave en el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Clim�tico - que nunca pudo olvidar los misterios cu�nticos que tanto le ocupaban antes.

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�Qu� es un fractal?

Los fractales son formas geom�tricas que no son lisos como c�rculos o rect�ngulos.

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Son estructuras irregulares con la misma estructura que se repite en escalas cada vez m�s finas. No importa lo mucho que infla un cuadro de un fractal, siempre se ver� igual.

El mundo natural contiene muchos ejemplos de fractales, incluyendo helechos, el br�coli, las redes fluviales, los vasos sangu�neos y las l�neas costeras.

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