La mecánica cuántica es famosa por sus ideas extrañas y a menudo contradictorias. A escalas muy pequeñas, las partículas no se comportan como objetos cotidianos. En cambio, pueden existir simultáneamente en múltiples estados, un concepto conocido como superposición. Los físicos describen este comportamiento utilizando un objeto matemático llamado función de onda. Sin embargo, esta imagen choca con lo que observamos en la vida cotidiana, donde los objetos ocupan un espacio o estado específico en un momento dado. Para solucionar esto, los científicos suelen proponer que cuando se mide un sistema cuántico o interactúa con un observador, su función de onda se colapsa en un único resultado.
Ahora, con la ayuda del Foundational Question Institute, FQXI, un equipo internacional de físicos ha analizado más de cerca explicaciones alternativas conocidas como modelo de colapso cuántico. Sus hallazgos sugieren que estos conceptos pueden tener consecuencias sorprendentes sobre cómo se comporta el tiempo en sí, con límites mínimos en la precisión con la que se puede medir. Investigación, publicada Estudios de revisión física.También ofrece una posible forma de probar estos modelos con la teoría cuántica estándar.
“Lo que hicimos fue tomar en serio la idea de que los modelos de colapso podrían estar relacionados con la gravedad”, dijo Nicola Bortolotti, estudiante de doctorado en el Museo y Centro de Investigación Enrico Fermi (CREF) en Roma, Italia. “Y luego hicimos una pregunta muy específica: ¿Qué significa esto para el tiempo mismo?”
Colapso espontáneo y modelos cuánticos comprobables.
En la década de 1980, los investigadores comenzaron a desarrollar teorías en las que el colapso de las funciones de onda se produce de forma espontánea, sin necesidad de observación ni medición. A diferencia de las interpretaciones tradicionales de la mecánica cuántica, que esencialmente ofrecen diferentes formas de pensar sobre la misma ecuación, estos modelos de colapso hacen predicciones que, en principio, pueden probarse experimentalmente.
“Lo que hicimos fue tomar en serio la idea de que los modelos de colapso podrían estar relacionados con la gravedad. Y luego hicimos una pregunta muy específica: ¿Qué significa eso para el tiempo mismo?” Dice Nicola Bortolotti.
Bortolotti y sus colegas Catalina Carsenu, Cristian Psicchia, Lazos DOC y Simone Manti probaron dos versiones de alto nivel de estos modelos. Uno es el modelo Diósi-Penrose, que desde hace tiempo propone una conexión entre la gravedad y el colapso por acción de las olas. La otra es la localización espontánea continua. En su nuevo trabajo, los investigadores establecieron una relación cuantitativa entre este segundo modelo y las fluctuaciones en el espacio-tiempo provocadas por la gravedad.
Pequeña incertidumbre temporal y límites de precisión de los relojes.
Su análisis muestra que si estos modelos de colapso describen con precisión la realidad, el tiempo en sí puede no ser completamente exacto. En cambio, tendrá un nivel extremadamente pequeño de incertidumbre inherente. Esto establecerá un límite fundamental a la precisión que puede tener cualquier reloj.
“Una vez que se hacen los cálculos, la respuesta es clara y sorprendentemente tranquilizadora”, dijo Bortolotti.
Es importante destacar que este efecto es demasiado pequeño para afectar cualquier tecnología actual. Ni siquiera los relojes atómicos más avanzados pueden detectar esto. “La incertidumbre está muchos órdenes de magnitud por debajo de cualquier cosa que podamos medir actualmente, por lo que no tiene consecuencias prácticas para el cronometraje diario”, dijo Kursenu. “Nuestros resultados muestran claramente que las modernas tecnologías de cronometraje no quedan totalmente indemnes”, añade Pischia.
Mecánica cuántica, gravedad y naturaleza del tiempo.
Durante décadas, los físicos han intentado unificar la mecánica cuántica con la gravedad. Cada teoría funciona extremadamente bien dentro de su propio dominio. La mecánica cuántica describe el comportamiento de las partículas a escala microscópica, mientras que la relatividad general explica cómo la gravedad da forma a la estructura a gran escala del universo, incluidas las estrellas y las galaxias. Sin embargo, las dos estructuras se comportan con el tiempo de maneras muy diferentes.
“En la mecánica cuántica estándar, el tiempo se trata como un parámetro clásico externo que no se ve afectado por el sistema cuántico que se estudia”, explica Curceanu. Por el contrario, la relatividad general describe el tiempo como algo que puede estirarse y doblarse bajo la influencia de la masa y la energía.
“La incertidumbre es un orden de magnitud menor de lo que podemos medir actualmente, por lo que no tiene consecuencias prácticas para el cronometraje diario”, afirma Catalina Carsenu.
Partiendo de ideas anteriores de que la mecánica cuántica podría ser parte de una teoría más profunda, una nueva investigación apunta a posibles conexiones entre el comportamiento cuántico, la gravedad y el flujo del tiempo.
Curceanu enfatizó la importancia de explorar ideas no convencionales en física. “No hay muchas fundaciones en el mundo que apoyen la investigación sobre este tipo de cuestiones fundamentales sobre el universo, el espacio, el tiempo y la materia”, afirmó Karsenu. “Nuestro trabajo muestra que incluso las ideas radicales sobre la mecánica cuántica se pueden probar con mediciones físicas precisas y que, de manera tranquilizadora, el cronometraje es uno de los pilares más estables de la física moderna”.
Este trabajo fue apoyado en parte por el programa Conciencia en el Mundo Físico de FQxI. Puedes leer más sobre la contribución del equipo en el artículo de FQxI: “¿Qué podemos experimentar desde lo cuántico?” Por Brendan Foster.
