From Quantum Cryptography to Intuitionism and beyond: relativity, many-worlds and non-locality

La ciencia ha luchado durante mucho tiempo con la naturaleza de la realidad, particularmente con el extraño comportamiento de las partículas más pequeñas del universo. Durante décadas, los físicos han debatido si el mundo es fundamentalmente determinado, como una máquina de relojería donde cada evento futuro está fijado por el pasado, o si es verdaderamente abierto, con nuevas posibilidades emergiendo a medida que el tiempo avanza. Esta cuestión toca la esencia misma de cómo entendemos el tiempo, el espacio y la información. Si el futuro ya está escrito, entonces el universo es un bloque estático donde nada nuevo sucede. Si, sin embargo, el futuro no está escrito, entonces el universo es un lugar donde se crean cosas genuinamente nuevas momento a momento. Esta distinción no es solo filosófica; cambia la forma en que interpretamos las leyes de la física, especialmente al tratar con las extrañas correlaciones entre partículas que parecen influirse mutuamente de forma instantánea a través de vastas distancias.

En un artículo escrito para el septuagésimo cumpleaños de su colega y amigo Gilles Brassard, el físico Nicolas Gisin explora estas profundas cuestiones proponiendo una nueva forma de pensar sobre cómo se crea la información en el universo. Gisin sugiere que la naturaleza podría tener un límite en la rapidez con la que puede generar nueva información. Argumenta que, si bien el universo puede crear nuevos hechos, no puede hacerlo de forma infinita. Esta idea, que desarrolla junto con un enfoque matemático llamado intuicionismo, ofrece una perspectiva fresca sobre por qué el mundo no se convierte en un caos de posibilidades infinitas y cómo las extrañas reglas de la mecánica cuántica podrían encajar con la teoría de la relatividad de Einstein.

El artículo comienza desafiando la visión estándar de que los números que usamos para describir el mundo son completos y fijos. En la matemática tradicional, se asume que un número como la temperatura de una habitación tiene un valor preciso en cada momento, incluso si no lo conocemos. Gisin, basándose en una rama de las matemáticas donde los números se construyen a lo largo del tiempo, sugiere que para muchas magnitudes físicas, el valor preciso no existe hasta que pasa el tiempo y el valor se determina. En esta visión, el futuro no es un guion oculto esperando ser leído; es genuinamente abierto. Una temperatura dentro de diez años, por ejemplo, no tiene un valor ahora mismo. No es simplemente desconocida para nosotros; es ontológicamente indeterminada, lo que significa que la naturaleza misma aún no ha decidido cuál será. A medida que el tiempo fluye, se crea nueva información y el universo toma decisiones que no estaban predeterminadas.

Este concepto de un futuro abierto conduce a una propuesta específica sobre los límites de la naturaleza. Gisin imagina un escenario donde un sistema, como un gas de moléculas, evoluciona de una manera que es altamente sensible a sus condiciones iniciales. En una visión determinista estándar, el sistema sigue un camino único y preciso. Pero si las condiciones iniciales no son infinitamente precisas —si contienen solo una cantidad finita de información—, entonces el camino del sistema eventualmente se dividirá. Las diferentes posibilidades se dispersarán y la naturaleza eventualmente tendrá que elegir qué camino tomar. Gisin sugiere que la naturaleza solo puede crear nueva información a un ritmo limitado. Si un sistema intenta evolucionar hacia un estado que requiere una cantidad enorme de nueva información para describirlo todo a la vez, la naturaleza podría no ser capaz de seguir el ritmo.

Para ilustrar esto, Gisin observa un sistema de veinte diminutas partículas magnéticas, conocidas como espines. Si estas partículas se disponen de una manera clásicamente caótica, su versión cuántica se vuelve altamente entrelazada muy rápidamente. El entrelazamiento es un estado en el que las partículas están vinculadas tan profundamente que deben describirse como un solo grupo en lugar de como individuos. Para describir este grupo, la naturaleza necesitaría generar una cantidad masiva de nueva información en una fracción de segundo minúscula. Gisin propone que, si la naturaleza está limitada en la rapidez con la que puede producir esta información, podría verse obligada a dividir el sistema en partes más pequeñas y manejables. En lugar de crear un único y masivo estado entrelazado para todas las veinte partículas, la naturaleza podría crear dos grupos más pequeños de diez. Esta limitación podría evitar que el universo evolucione hacia un bloque de materia entrelazada único e infinitamente complejo. Si esta idea es correcta, significaría que la interpretación de los "muchos mundos" de la mecánica cuántica, que sugiere que cada posibilidad ocurre en una rama separada de la realidad, es incorrecta porque la naturaleza no puede generar la información requerida para sostener todos esos mundos simultáneamente.

El artículo trata luego sobre la relación entre este futuro abierto y la teoría de la relatividad. Un gran rompecabezas en la física ha sido cómo reconciliar la idea de eventos aleatorios e impredecibles con la regla de Einstein de que nada puede viajar más rápido que la luz. Algunos físicos han argumentado que, si el futuro es verdaderamente aleatorio, debe violar la relatividad. Gisin discrepa. Propone que los hechos no son absolutos; son relativos a su ubicación en el espacio y el tiempo. Cuando ocurre un evento aleatorio, como la medición de una partícula, el resultado se convierte en un hecho solo dentro de una región específica del espacio-tiempo llamada cono de luz futuro. Fuera de esta región, el evento aún no ha ocurrido y el resultado no existe.

Esto significa que dos eventos que ocurren en lugares diferentes pueden estar correlacionados sin que uno cause el otro instantáneamente. Imagine dos generadores de números aleatorios colocados lejos el uno del otro. Si producen números coincidentes, no es porque uno haya enviado una señal al otro. En cambio, la correlación es un evento no local único que se manifiesta en ambos lugares. El hecho de que coincidan es cierto solo donde los dos conos de luz futuros se traslapan. Antes de que se traslapen, los resultados son indeterminados. Esta visión, que Gisin llama la "relatividad de la indeterminación", permite las extrañas conexiones observadas en experimentos cuánticos sin requerir ninguna "acción fantasmal a distancia". Sugiere que el universo no es una colección de objetos separados que se influyen entre sí, sino un proceso único donde la nueva información se crea localmente y se propaga a la velocidad de la luz.

Gisin reconoce que esta es una idea audaz y que no tiene una solución completa al problema de la medición, que es la cuestión de exactamente cuándo y cómo estas cantidades indeterminadas se vuelven definidas. Sugiere que la naturaleza podría tener un mecanismo para decidir cuándo tomar una decisión, quizás cuando la cantidad de información requerida para describir un sistema excede lo que puede crearse en un tiempo dado. Esto no es un hecho probado, sino una hipótesis que podría conducir a nuevas predicciones y tecnologías. Si la naturaleza está, de hecho, limitada en su capacidad para crear información, esto podría tener implicaciones serias para la computación cuántica, que depende de la creación de cantidades masivas de entrelazamiento. Si el universo no puede generar ese entrelazamiento lo suficientemente rápido, las computadoras cuánticas podrían enfrentar límites fundamentales más severos de lo que se piensa actualmente.

El artículo concluye enfatizando que esta nueva perspectiva no requiere de observadores o agentes conscientes para hacer que el universo sea real. La creación de nueva información es un proceso físico que ocurre independientemente de si alguien está mirando. Gisin escribe esto en honor a su amigo Gilles Brassard, un pionero en la criptografía cuántica, para celebrar una vida explorando los límites de la información y la realidad. Al combinar la idea matemática de que los números se construyen a través del tiempo con la idea física de que la creación de información es limitada, Gisin ofrece una visión de un universo que es dinámico, abierto y fundamentalmente creativo. Es un mundo donde el futuro no es un destino fijo, sino un paisaje que se está dibujando, un nuevo hecho a la vez.