Física teórica
Una interpretación cuantitativa explica por qué percibimos una sola realidad si el universo es una superposición de infinitas posibilidades
Recreación artística de la emergencia del mundo clásico del sustrato cuántico. / DALL·E 2024/T21
Eduardo Martínez de la Fe
Madrid 07 ENE 2025
Un nuevo estudio explica cómo la realidad cotidiana emerge del paralelo universo cuántico, formando un mundo estable y predecible que por su naturaleza es opuesto al impredecible y paradójico reino de las partículas subatómicas. Todo es cuestión de decoherencia.
Ya sabemos que las leyes de la mecánica cuántica gobiernan las interacciones entre partículas subatómicas, pero ¿cómo se traduce este caos cuántico en la realidad estable y predecible que experimentamos cada día?
Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona y publicado en Physical Review X arroja luz sobre este proceso, explicando cómo la realidad clásica emerge gracias a la decoherencia cuántica, un fenómeno que suprime las interferencias cuánticas y da paso a un universo ordenado y clásico.
La cuestión central del estudio es la "decoherencia", un proceso por el cual las probabilidades cuánticas, que permiten que una partícula esté en múltiples lugares al mismo tiempo, se desvanecen cuando se observan a gran escala. Este estudio resuelve una paradoja fundamental en la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica: si el universo es una superposición de infinitas posibilidades, ¿por qué percibimos una sola realidad?
Según este trabajo, que se basa en la interpretación de los múltiples mundos de la mecánica cuántica, según la cual innumerables mundos paralelos se ramifican entre sí cada vez que se realiza una medición, la clave está en los sistemas aislados y no integrables, como los grandes sistemas que caracterizan nuestro universo. Un "sistema aislado" es aquel que no intercambia energía ni información con su entorno, permitiendo que su evolución sea gobernada únicamente por sus propias leyes internas. Por otro lado, un sistema "no integrable" se refiere a uno cuya dinámica es compleja y caótica, donde no existen suficientes constantes de movimiento para describir su comportamiento de forma ordenada.
Esta falta de integrabilidad en estos grandes sistemas que caracterizan a nuestro universo asegura que los efectos cuánticos se disipen más rápidamente, favoreciendo la emergencia de patrones clásicos y la percepción de una sola realidad.
Propiedades globales
Al analizar sistemas cuánticos simples con simulaciones de la evolución cuántica de hasta unos 50.000 niveles de energía y cinco pasos de tiempo, parámetros mucho más pequeños que los que se requerirían para simular fenómenos cotidianos, los investigadores observaron que características macroscópicas como el orden y la estructura pueden surgir incluso en un sistema cuántico que parece caótico a escalas más pequeñas.
También demostraron que la decoherencia emerge de manera robusta para ciertos sistemas con propiedades observables que son "lentas y groseras" (slow and coarse observables). Estas observaciones se refieren a mediciones que no capturan detalles minúsculos del sistema, sino que promedian sobre grandes escalas de tiempo y espacio.
Por ejemplo, en lugar de medir la posición exacta de cada partícula en un sistema cuántico, se observan propiedades globales como la energía o la temperatura, que evolucionan más lentamente y son menos sensibles a las fluctuaciones microscópicas. Es en ese contexto de observación “global” en el que la decoherencia convierte la ambigüedad cuántica en la realidad aprehensible que conocemos.
El estudio utilizó simulaciones basadas en la ecuación de Schrödinger, sin introducir factores externos como el ruido ambiental o la termodinámica estadística tradicional. Este enfoque, conocido como "historias decoherentes emergentes" (o historias consistentes), permite analizar sistemas cuánticos en evolución, evaluando cómo las interferencias cuánticas disminuyen con el tiempo.
Lo que distingue a este trabajo de investigaciones previas es su capacidad para abordar la decoherencia desde principios fundamentales, sin depender de aproximaciones externas como el efecto del entorno o modelos estocásticos o aleatorios.
En particular, el estudio cuantifica cómo la decoherencia surge intrínsecamente de la dinámica del sistema, mostrando que los efectos cuánticos son exponencialmente suprimidos en relación con el tamaño del sistema.
Esta aproximación proporciona una conexión más clara y rigurosa entre la mecánica cuántica y nuestra experiencia clásica, algo que antes solo podía abordarse de manera indirecta o cualitativa.
Puente esencial
Además, al centrarse en sistemas no integrables con propiedades observables que son lentas y groseras, el estudio refuerza la idea de que la decoherencia no es un fenómeno accesorio, sino un proceso inevitable y ubicuo en sistemas suficientemente complejos, explican los investigadores.
Esta comprensión redefine el papel de la decoherencia como un puente esencial para explicar la transición cuántico-clásica, eliminando la necesidad de suposiciones externas, como se ha hecho hasta ahora.
En términos prácticos, este fenómeno ayuda a resolver un problema histórico en la interpretación de muchos mundos: el problema de la base preferida (preferred basis). Dicho de otro modo, ¿por qué ciertas propiedades, como la posición o la energía, parecen "privilegiadas" a la hora de definir nuestra realidad?
La respuesta radica en que las propiedades observables "lentas y groseras" son las que sobreviven a la decoherencia, permitiéndonos experimentar un mundo en el que los objetos tienen posiciones definidas y comportamientos predecibles.
Además, los hallazgos sugieren que la forma en que medimos el universo no es arbitraria, sino que está profundamente influida por la estructura misma de la realidad cuántica. Solo los sistemas con propiedades observables que cumplen con las condiciones de estabilidad —como la energía total— pueden generar historias decoherentes, compatibles con nuestras percepciones cotidianas, según los autores de este estudio.
Implicaciones filosóficas y científicas
Aunque el estudio se centra en un modelo simplificado, sus conclusiones tienen implicaciones amplias para cómo entendemos el universo. Por un lado, refuerza la interpretación de que las leyes de la mecánica cuántica no contradicen nuestra experiencia clásica, sino que la sustentan. Por otro, redefine el concepto de "realidad" como un fenómeno emergente, producto de la interacción entre las leyes cuánticas y la complejidad de los sistemas que observamos.
En resumen, este trabajo no solo ofrece una explicación cuantitativa para la emergencia de la realidad clásica, sino que también abre la puerta a futuras investigaciones sobre cómo las estructuras cuánticas más fundamentales dan forma al cosmos tal como lo conocemos. Al explorar los límites entre lo cuántico y lo clásico, nos acerca un paso más a comprender el mayor misterio de todos: cómo un universo de infinitas posibilidades puede converger en la singular experiencia de la realidad.
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Referencia
First Principles Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories. Philipp Strasberg et al. Phys. Rev. X 14, 041027; 30 October, 2024. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041027
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Fuente:
