NeoFronteras

Proponen una nueva interpretación de la Mecánica Cuántica es simétrica en el tiempo a nivel fundamental, pero en la que aparece cierta asimetría que está conectada a la idea de causalidad y flecha psicológica del tiempo.

El gran misterio de la Física es la flecha del tiempo. Las leyes de la Física son reversibles en el tiempo, pero la realidad cotidiana que nos rodea nos dice que hay una flecha del tiempo, las causas preceden a los efectos y no podemos recordar el futuro. A esta asimetría entre la capacidad de poder recordar el pasado y no el futuro Stephen Hawking la llamó flecha del tiempo psicológica.
Sólo hay dos excepciones a esta reversibilidad en la Física. Por un lado la entropía aumenta según avanza la flecha del tiempo, al igual que lo hace la expansión cosmológica.
Sin embargo, ha sido objeto de debate sobre si esta reversibilidad también se da a nivel cuántico. Todos están de acuerdo en que para sistemas cuánticos aislados no perturbados hay simetría temporal, pero cuando se efectúa una medición entonces la función de ondas colapsa en uno de los posibles estados y no hay vuelta atrás.
Ahora los físicos de la Universidad de Bruselas Ognyan Oreshkov y Nicolas Cerf han desarrollado una formulación de la Mecánica Cuántica que es completamente simétrica en el tiempo y establece un vínculo exacto entre este tipo de asimetría y el hecho de que podamos recordar el pasado pero no el futuro.
El estudio aporta nuevas pistas sobre conceptos como el libre albedrío y la causalidad. Además, sugiere que la causalidad necesita ser considerada un principio fundamental en la Física. La idea de que nuestras elecciones en el presente pueden influir sobre eventos en el futuro pero no los del pasado es reflejada por la teoría cuántica estándar como el principio al que se le llama causalidad.
Para poder medir este principio los autores del estudio analizan lo que significa realmente el concepto de elección en el contexto de la teoría cuántica.
Así por ejemplo, creemos que el experimentador puede elegir qué medida puede realizar sobre un sistema cuántico dado, pero no el resultado de esa medida. Según el principio de causalidad la elección de la medida puede estar correlacionada sólo con los resultados de medidas futuras, mientras que el resultado en sí mismo de las medidas pueden estar correlacionadas con resultados tanto de medidas pasadas como futuras.
Los autores proponen definir las propiedades según cómo interpretemos la variable que describe la medida bajo la elección del experimentador (mientras que el resultado no puede ser elegido), pues puede ser conocida antes de que le medida real tenga lugar.
Desde esta perspectiva, el principio de causalidad puede ser entendido como una limitación sobre la información disponible acerca de las diferentes variables a diferentes momentos del tiempo. Esta limitación no es simétrica en el tiempo, ya que tanto la elección de la medida como el resultado de dicha medida sólo pueden ser conocidas a posteriori. Esto es la esencia de la asimetría implícita en la formulación estándar de la teoría cuántica, según los autores del estudio.
“La teoría cuántica ha sido formulada basándose sobre conceptos asimétricos que reflejan el hecho de que conocemos el pasado y estamos interesados en predecir el futuro. Pero el concepto de probabilidad es independiente del tiempo y desde una perspectiva física tiene sentido intentar reformular la teoría en términos fundamentales simétricos”, dice Ognyan Oreshkov.
Para poder conseguir esto los autores proponen adoptar una nueva noción de medida que no está definida solamente sobre variables en el pasado, sino que además dependen de variables en el futuro. “En esta aproximación que proponemos las medidas no son interpretadas como resultado de la elección libre de unos agentes, sino simplemente describen la información acerca de posibles eventos en diferentes regiones del espacio-tiempo”, dice Nicolas Cerf.
En la formulación simétrica en el tiempo de la teoría cuántica que se sigue de esta idea, el principio de causalidad y la flecha psicológica del tiempo aparecen desde las condiciones en la frontera o de contorno. Parámetros sobre los que la teoría hace predicciones, pero cuyos valores podrían ser arbitrarios en principio. De este modo, y según esta nueva formulación, es concebible que en algunas partes del Universo la causalidad sea violada.
Otra consecuencia de esta nueva formulación es la extensión del teorema de Wigner, que caracteriza la representación matemática de las simetrías físicas y es central para comprender muchos fenómenos, como qué partículas elementales pueden existir.
Este teorema, formulado en 1931, específica cómo las simetrías de rotación, traslación y CPT son representadas en un espacio de Hilbert (el espacio matemático en donde “viven” las funciones de onda).
La nueva formulación de simetrías puede ser representada de modos no permitidos en la formulación estándar, lo que podría tener implicaciones físicas. Una posibilidad especulativa es que esas simetrías puedan ser relevantes en teoría cuántica de la gravedad, pues tienen la forma de transformaciones que pueden ser conjeturadas a que ocurran en la presencia de agujeros negros.
“Nuestro trabajo muestra que si creemos que la simetría del tiempo debe ser una propiedad fundamental de las leyes de la Física, tenemos que considerar la posibilidad de fenómenos que vayan más allá de aquellos concebibles bajo la teoría cuántica estándar. Si esos fenómenos existen y dónde los podemos buscar es una gran pregunta abierta”, dice Oreshkov.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Artículo en ArXiv.
Foto: Wikipedia.