Alice y Bob, las estrellas de tantos experimentos mentales están preparando la cena cuando sobrevienen contratiempos. Alice accidentalmente deja caer un plato; el sonido sobresalta a Bob, que se quema en la estufa y grita. En otra versión de los hechos, Bob se quema y grita, lo que hace que Alice deje caer un plato.
Durante la última década, los físicos cuánticos han estado explorando las implicaciones de una conclusión extraña: en principio, ambas versiones de la historia pueden suceder a la vez. Es decir, los eventos pueden ocurrir en un orden causal indefinido, donde tanto “A causa B” y “B causa A” son simultáneamente verdaderas.
"Suena indignante", admitió Časlav Brukner, físico de la Universidad de Viena.
La posibilidad se deriva del fenómeno cuántico conocido como superposición, donde las partículas mantienen todas las realidades posibles simultáneamente hasta el momento en que se miden. En los laboratorios de Austria, China, Australia y otros lugares, los físicos observan un orden causal indefinido colocando una partícula de luz (llamada fotón) en una superposición de dos estados. Luego someten una rama de la superposición al proceso A seguido del proceso B, y someten la otra rama a B seguida de A. En este procedimiento, conocido como cambio cuántico, el resultado de A influye en lo que sucede en B, y viceversa; el fotón experimenta ambos órdenes causales simultáneamente.
Durante los últimos cinco años, una creciente comunidad de físicos cuánticos ha estado implementando el interruptor cuántico en experimentos de sobremesa y explorando las ventajas que ofrece el orden causal indefinido para la computación y la comunicación cuánticas. Es "realmente algo que podría ser útil en la vida cotidiana", dijo Giulia Rubino, investigadora de la Universidad de Bristol que dirigió la primera demostración experimental del interruptor cuántico en 2017.
Pero los usos prácticos del fenómeno solo agudizan las implicaciones profundas.
Los físicos han sentido durante mucho tiempo que la imagen habitual de los eventos que se desarrollan como una secuencia de causas y efectos no captura la naturaleza fundamental de las cosas. Dicen que esta perspectiva causal probablemente tiene que desaparecer si alguna vez queremos descubrir el origen cuántico de la gravedad, el espacio y el tiempo. Pero hasta hace poco, no había muchas ideas sobre cómo podría funcionar la física poscausal. “Mucha gente piensa que la causalidad es tan básica en nuestra comprensión del mundo que si debilitamos esta noción no podríamos hacer teorías coherentes y significativas”, dijo Brukner, quien es uno de los líderes en el estudio de la causalidad indefinida.
Eso está cambiando a medida que los físicos contemplan los nuevos experimentos de conmutadores cuánticos, así como los experimentos mentales relacionados en los que Alice y Bob se enfrentan a la indefinición causal creada por la naturaleza cuántica de la gravedad. Tener en cuenta estos escenarios ha obligado a los investigadores a desarrollar nuevos formalismos matemáticos y formas de pensar. Con los marcos emergentes, "podemos hacer predicciones sin tener una causalidad bien definida", dijo Brukner.
El progreso se ha acelerado recientemente, pero muchos profesionales rastrean el origen de esta línea de ataque al problema de la gravedad cuántica para trabajar hace 16 años con Lucien Hardy, físico teórico británico-canadiense del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Canadá. "En mi caso", dijo Brukner, "todo comenzó con el artículo de Lucien Hardy".
Hardy era más conocido en ese momento por adoptar un enfoque conceptual que Albert Einstein hizo famoso y aplicarlo a la mecánica cuántica.
Einstein revolucionó la física no pensando en lo que existe en el mundo, sino considerando lo que los individuos pueden medir. En particular, imaginó a personas en trenes en movimiento haciendo mediciones con reglas y relojes. Al utilizar este enfoque "operacional", pudo concluir que el espacio y el tiempo deben ser relativos.
En 2001, Hardy aplicó este mismo enfoque a la mecánica cuántica. Reconstruyó toda la teoría cuántica a partir de cinco axiomas operativos.
Luego se propuso aplicarlo a un problema aún mayor: el problema de 80 años de cómo reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad general, la teoría épica de la gravedad de Einstein. “Me impulsa la idea de que quizás la forma operativa de pensar sobre la teoría cuántica se pueda aplicar a la gravedad cuántica”, me dijo Hardy en Zoom este invierno.
La pregunta operativa es: en la gravedad cuántica, ¿qué podemos, en principio, observar? Hardy pensó en el hecho de que la mecánica cuántica y la relatividad general tienen cada una una característica radical. La mecánica cuántica es famosa por su indeterminismo; sus superposiciones permiten posibilidades simultáneas. Mientras tanto, la relatividad general sugiere que el espacio y el tiempo son maleables. En la teoría de Einstein, los objetos masivos como la Tierra extienden la “métrica” del espacio-tiempo, esencialmente la distancia entre las marcas de control de una regla y la duración entre los tics de los relojes. Cuanto más cerca esté de un objeto masivo, por ejemplo, más lento el tic-tac de su reloj. Luego, la métrica determina el "cono de luz" de un evento cercano, la región del espacio-tiempo en la que el evento puede influir causalmente.
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