Nivel III: Múltiples mundos cuánticos

Múltiples mundos cuánticos

LOS MULTIVERSOS NIVEL I Y NIVEL II implican mundos paralelos muy lejanos, más allá incluso de los dominios de los astrónomos. Pero el siguiente nivel del multiverso está justo alrededor de usted. Surge de la famosa y controvertida noción de los mundos múltiples de la mecánica cuántica: la idea de que los procesos cuánticos aleatorios ocasionan que el universo se ramifique en múltiples copias, una por cada posible resultado.
A principios del siglo XX, la teoría de la mecánica cuántica revolucionó la física al explicar el reino de lo atómico, que no obedece las reglas clásicas de la mecánica newtoniana. No obstante los evidentes éxitos de la teoría, sigue muy vivo el debate sobre lo que esto significa realmente. La teoría especifica el estado del universo no en términos clásicos, como las posiciones y velocidades de todas las partículas, sino en los de un objeto matemático denominado función de onda. De acuerdo con la ecuación de Schrödinger, este estado evoluciona con el tiempo de un modo que los matemáticos llaman “unitario”, es decir, que la función de onda gira en un espacio abstracto de dimensiones infinitas, llamado espacio de Hilbert. Aunque se dice a menudo que la mecánica cuántica es en sí misma aleatoria e incierta, la función de onda evoluciona de manera determinista: no tiene nada de aleatorio o incierto.
Lo difícil es cómo relacionar esa función de onda con lo que observamos. Muchas funciones de onda legítimas corresponden a situaciones contrarias a la intuición, como la de que un gato esté a la vez vivo y muerto en lo que se denomina una superposición. En la década de 1920, los físicos “explicaron” esa rareza postulando que la función de onda se “colapsaba” hacia un determinado resultado clásico siempre que alguien realizaba una observación. Este añadido tenía la virtud de explicar las observaciones, pero convirtió una teoría elegante y unitaria en una torpe y no-unitaria. La aleatoriedad intrínseca que suele atribuirse a la mecánica cuántica se debe a este postulado.
Con los años, muchos físicos abandonaron esa visión en favor de otra desarrollada en 1957 por Hugh Everett III, un estudiante de posgrado de Princeton que mostró que el postulado del colapso es innecesario. De hecho, la teoría cuántica pura no plantea ninguna contradicción. Aunque predice que una realidad clásica se va bifurcando en superposiciones de muchas realidades, los observadores experimentan subjetivamente esas bifurcaciones sólo como una leve aleatoriedad, cuyas posibilidades concuerdan exactamente con las debidas al viejo postulado del colapso. Esa superposición de mundos clásicos es el multiverso Nivel III.
La interpretación de los mundos múltiples de Everett ha confundido a físicos y a legos durante más de cuatro décadas. Pero la teoría es más fácil de entender si distinguimos entre dos maneras de percibir una teoría física: la visión exterior de un físico que estudia sus ecuaciones matemáticas, como la de un ave que explora desde las alturas un paisaje, y la visión interior de un observador que habita el mundo descrito por las ecuaciones, como la de una rana que habita en el terreno estudiado por el ave.
Desde la perspectiva del ave, el multiverso Nivel III es sencillo. Sólo hay una función de onda. Evoluciona tersa y determinísticamente en el tiempo, sin ningún tipo de bifurcaciones ni paralelismos. El mundo abstracto cuántico descrito por esta función de onda en evolución contiene una enorme cantidad de devenires clásicos y paralelos que se bifurcan continuamente y se vuelven a unir, como diversos fenómenos cuánticos que carecen de descripciones clásicas. Desde la perspectiva de la rana, los observadores perciben sólo una fracción de esa realidad total. Pueden percibir su propio universo Nivel I, pero un proceso llamado “decoherencia”, que imita el colapso de la función de onda pero preserva la unitaridad, impide que perciban copias paralelas Nivel III de sí mismos.
Cuando a los observadores se les hace una pregunta, toman una decisión y dan su respuesta, los efectos cuánticos dentro de sus cerebros conducen a una superposición de resultados, como serían “seguir leyendo el artículo” o “abandonarlo”. Desde la perspectiva del ave, tomar una decisión hace que una persona se bifurque en varias copias: una que sigue leyendo y otra que no. Desde su perspectiva de rana, cada uno de los alter egos no está consciente de los demás y percibe la bifurcación sólo como una ligera aleatoriedad: una determinada probabilidad de seguir leyendo o no.
Por extraño que parezca, esa misma situación acontece incluso en el multiverso Nivel I. Usted ha decidido seguir leyendo el artículo, pero uno de sus alter egos en una galaxia distante botó la revista después del primer párrafo. La única diferencia entre el Nivel I y el Nivel III es dónde residen sus doppelgängers. En el Nivel I, viven en cualquier parte de un confortable continuo tridimensional. En el Nivel III, viven en otra bifurcación cuántica de un espacio de Hilbert con infinitas dimensiones.
La existencia del Nivel III depende del supuesto crucial de que la evolución temporal de la función de onda es unitaria. Hasta ahora, los experimentadores no se han topado con nada que se aleje de la unitaridad. En las últimas décadas se confirmó la unitaridad incluso en los grandes sistemas, incluyendo moléculas “buckyball” de 60 carbonos y fibras ópticas de kilómetros de largo. En el aspecto teórico, las razones en favor de la unitaridad han sido reforzadas por el descubrimiento de la decoherencia (véase Max Tegmark y John Archibald Wheeler, “100 Years of Quantum Mysteries”, Scientific American, febrero de 2001). Algunos teóricos que trabajan sobre la gravedad cuántica cuestionan la unitaridad; les preocupa que los agujeros negros que desaparecen pudieran destruir la información, lo cual sería un proceso no-unitario. Pero un avance reciente de la teoría de cuerdas, conocido como correspondencia AdS/CFT, sugiere que incluso la gravedad cuántica es unitaria. En tal caso, los agujeros negros no destruyen la información sino que sólo la transmiten a otra parte. (Nota de los editores: En un artículo próximo se tratará con mayor detalle esta correspondencia.)
Si la física es unitaria, debemos cambiar nuestra percepción estándar de cómo eran las fluctuaciones cuánticas poco después del big bang. Estas fluctuaciones no generaron condiciones iniciales al azar sino una superposición cuántica de todas las condiciones iniciales posibles, las cuales coexistían a la vez. Entonces, la decoeherencia hizo que esas condiciones iniciales se comportaran de manera clásica en ramas cuánticas separadas. Y aquí tenemos la cuestión crucial: la distribución de resultados en distintas ramificaciones cuánticas dentro de un determinado volumen de Hubble (Nivel III) es idéntica a la de los resultados en otros volúmenes de Hubble contenidos en una sola ramificación cuántica (Nivel I). Esta propiedad de las fluctuaciones cuánticas se conoce, en la mecánica estadística, como ergodicidad.
Lo mismo se aplica al Nivel II. El proceso de ruptura de simetría no produjo un resultado único, sino una superposición de todos los resultados, los cuales pronto tomaron caminos distintos. Entonces, si las constantes físicas, la dimensionalidad espacio-temporal y demás, pueden variar entre las ramificaciones cuánticas paralelas a un Nivel III, también pueden hacerlo entre los universos paralelos del Nivel II.
En otras palabras, el multiverso Nivel III no agrega nada nuevo más allá de los niveles I y II: sólo más copias indistinguibles de los mismos universos: los mismos “guiones” que se repiten indefinidamente en otras ramificaciones cuánticas. El apasionado debate sobre la teoría de Everett parece, por tanto, haber terminando en un gran anticlímax, con el descubrimiento de multiversos menos controvertidos (Niveles I y II) que son igual de grandes.
Huelga decir que las implicaciones son profundas y que los físicos apenas comienzan a explorarlas. Consideremos, por ejemplo, las ramificaciones de la respuesta a una añeja pregunta: ¿La cantidad de universos se incrementa exponencialmente con el tiempo? La sorprendente respuesta es: NO. Desde la perspectiva del ave, es obvio que hay un solo universo. Desde la de la rana, lo importante es la cantidad de universos que se distinguen en un momento dado, es decir, la cantidad de distintos volúmenes de Hubble que pueden percibirse. Imaginemos mover los planetas a nuevas ubicaciones al azar, imagine haberse casado con otra persona... A nivel cuántico, existen 10 a la 10118 universos con temperaturas inferiores a 108 kelvins. Es un número enorme, pero finito.
Desde la perspectiva de la rana, la evolución de la función de onda corresponde al incesante deslizamiento de uno de estos 10 a la 10118 estados a otro. Ahora se encuentra en el universo A, en el que está usted leyendo esta oración. Ahora en el universo B, donde está leyendo esta otra. Dicho de otro modo, el universo B contiene un observador idéntico al del universo A, excepto que tiene un instante más de memoria. Todos los estados posibles existen a cada instante, por lo que el paso del tiempo podría estar en la mente del observador, una idea explorada en la novela de ciencia-ficción Permutation City de Greg Egan (1994) y desarrollada por el físico David Deutsch de la Universidad de Oxford, el físico independiente Julian Barbour y otros más. Por lo tanto, el marco de los multiversos podría ser indispensable para entender la naturaleza del tiempo.

TEXTO ORIGINAL DE MAX TEGMAR,(Dept. of Physics, MIT )AQUÍ SU WEB EN INGLÉS