Reformulan la teoría cuántica de forma simétrica en el tiempo

Físicos teóricos de la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica) han desarrollado una formulación totalmente simétrica de la teoría cuántica, que establece una relación exacta entre la asimetría y el hecho de que podemos recordar el pasado pero no el futuro.

Las leyes de la mecánica clásica son independientes de la dirección del tiempo, pero que lo mismo ocurre en la mecánica cuántica ha sido un tema de debate. Si bien se ha acordado que las leyes que rigen los sistemas cuánticos aislados son simétricas en el tiempo, la medición cambia el estado de un sistema de acuerdo con reglas que sólo parecen funcionar hacia adelante, y hay diferencias en la opinión acerca de la interpretación de este efecto.

Ahora los físicos teóricos de Bélgica han desarrollado una formulación plenamente simétrica en el tiempo de la teoría cuántica, que establece una relación exacta entre esta asimetría y el hecho de que podamos recordar el pasado pero no el futuro – un fenómeno que el físico Stephen Hawking ha nombrado la flecha «psicológica» de tiempo.

El estudio ofrece nuevos conocimientos sobre los conceptos de libre elección y causalidad, y sugiere que la causalidad no tiene por qué ser considerada como un principio fundamental de la física. También expande un teorema fundamental de la mecánica cuántica debido a Eugene Paul Wigner, que apunta a nuevas direcciones para la búsqueda de la física más allá de los modelos conocidos. Los hallazgos de Ognyan Oreshkov y Nicolas Cerf se han publicado esta semana en la revista Nature Physics.

Causalidad

La idea de que nuestras elecciones en el presente pueden influir en los acontecimientos en el futuro, pero no en el pasado, se refleja en las reglas de la teoría cuántica estándar como un principio que los teóricos cuánticos llaman «causalidad», explica la nota de prensa de la universidad, recogida por AlphaGalileo.

Para entender este principio, los autores del nuevo estudio analizan lo que el concepto de elección en el contexto de la teoría cuántica significa realmente. Por ejemplo, pensamos que un experimentador puede elegir qué medición realizar en un sistema dado, pero no el resultado de la medición. Correspondientemente, de acuerdo con el principio de causalidad, la elección de la medición se puede correlacionar con resultados de mediciones sólo en el futuro, mientras que el resultado de una medición se puede correlacionar con resultados de mediciones tanto pasadas como futuras.

Los investigadores sostienen que la propiedad que determina que interpretemos la variable que describe la medida como dependiente de la elección del experimentador, mientras que el resultado no lo es, es que puede ser conocida antes de que la medición se realice.

Desde esta perspectiva, el principio de causalidad se puede entender como una limitación a la información disponible sobre las diferentes variables en diferentes momentos. Esta limitación no es simétrica en el tiempo ya que tanto la elección de la medición como el resultado de una medición pueden ser conocidas a posteriori. Esto, de acuerdo con el estudio, es la esencia de la asimetría implícita en la formulación estándar de la teoría cuántica.

«La teoría cuántica ha sido formulada sobre la base de conceptos asimétricos que reflejan el hecho de que podemos conocer el pasado y estamos interesados ​​en la predicción del futuro. Pero el concepto de probabilidad es independiente del tiempo, y desde una perspectiva de la física tiene sentido tratar de formular la teoría en términos fundamentalmente simétricos», dice Ognyan Oreshkov, el autor principal del estudio.

Nueva formulación

Para ello, los autores proponen adoptar una nueva noción de medida que no se define sólo por las variables del pasado, sino que puede depender de las variables del futuro también. «En el enfoque que proponemos, las mediciones no se interpretan como «elecciones libres» de los agentes, sino simplemente describen la información sobre los posibles eventos en diferentes regiones del espacio-tiempo», dice Nicolas Cerf, co-autor del estudio y director del Centro de Información Cuántica y Comunicación de la Universidad.

En la formulación simétrica en el tiempo de la teoría cuántica que se desprende de este enfoque, el principio de la causalidad y la flecha psicológica del tiempo surgen de lo que los físicos llaman condiciones de contorno -parámetros con base en los cuales la teoría hace predicciones, pero cuyos valores podrían ser arbitrarios en principio. Así, por ejemplo, de acuerdo con la nueva formulación, es concebible que en algunas partes del universo la causalidad pueda ser violada.

Otra consecuencia de la formulación simétrica en el tiempo es una extensión de un teorema fundamental de Wigner, que caracteriza a la representación matemática de simetrías físicas y es fundamental para la comprensión de muchos fenómenos, tales como qué partículas elementales pueden existir.

El estudio muestra que en la nueva formulación las simetrías se puede representar en formas no permitidas por la formulación estándar, lo que podría tener consecuencias físicas de gran alcance. Una posibilidad especulativa es que tales simetrías pueden ser relevantes en una teoría de la gravedad cuántica, ya que tienen la forma de las transformaciones que se han conjeturado que ocurren en presencia de agujeros negros.

«Nuestro trabajo demuestra que si creemos que la simetría del tiempo debe ser una característica de las leyes fundamentales de la física, tenemos que considerar la posibilidad de fenómenos más allá de lo concebible en teoría cuántica estándar. Que existan tales fenómenos y dónde podríamos buscarlos es una gran pregunta abierta», explica Oreshkov.

Referencia bibliográfica:

Ognyan Oreshkov, Nicolas J. Cerf: Operational formulation of time reversal in quantum theory. Nature Physics (2015). DOI: 10.1038/nphys3414.