Causalidad cuántica: ¿y si el orden de los eventos desapareciera a escalas muy pequeñas? ⏳

Desde hace poco más de una década, los físicos han estado estudiando un extraño fenómeno del mundo cuántico. A escalas muy pequeñas, podría ser que el orden temporal entre diferentes eventos no siempre esté bien definido.

La física cuántica describe el mundo microscópico con una precisión impresionante. Sus predicciones nunca han sido contradichas por los experimentos. Pero también es famosa por sus extrañezas.


De hecho, los objetos microscópicos se comportan de manera contraria a la intuición. Primero, sus propiedades (como su posición y velocidad) a veces solo pueden tomar ciertos valores específicos. Para hacer una analogía con nuestro mundo macroscópico, es como si, al movernos en una línea recta, solo pudiéramos desplazarnos en "saltos" de un metro, sin poder nunca estar en una posición intermedia.

Además, dos entidades parecen poder influirse a grandes distancias, a velocidades mayores que las de la luz. Por último, algunos objetos tienen propiedades (como su posición o velocidad) que se encuentran en "superposiciones cuánticas" de varios valores. ¿Qué significa para un objeto estar en una "superposición" de varias posiciones? ¿El objeto no está en ninguna parte? ¿En todas partes a la vez? Estas preguntas tienen a físicos y filósofos reflexionando desde hace décadas.

Una extrañeza más en el mundo cuántico

Sin embargo, en la última década han surgido nuevos descubrimientos que elevan la complejidad del problema un nivel más. Trabajos realizados por físicos de todo el mundo indican que, cuando dos eventos ocurren en el mundo cuántico, el orden temporal entre estos eventos a veces es indefinido.

A nuestra escala, siempre es posible decir si una persona estornudó antes de disculparse o viceversa. La física cuántica parece indicar que, a escalas pequeñas, es posible que ninguna de estas dos opciones sea la correcta.


Ahora bien, el orden temporal entre diferentes eventos está fuertemente relacionado con las relaciones de causalidad. De hecho, una causa siempre debe preceder a su efecto. Así que, si el orden temporal entre diferentes eventos es indefinido, podría ser también el caso para su orden causal.

¿Cómo darle sentido a un mundo en el que las cosas no ocurren en un orden bien definido? Esta pregunta es un desafío para los filósofos de la ciencia. Sin duda, se propondrán respuestas audaces, y tal vez tengamos que aceptar una profunda reconsideración de nuestra visión del mundo físico.

Un experimento inquietante

Podemos observar órdenes causales indefinidos en el laboratorio, por ejemplo, gracias al "quantum switch", un arreglo experimental muy particular que se ha realizado en varias ocasiones. Veamos en detalle una de estas implementaciones experimentales. Dos experimentadores realizan cada uno una operación sobre la misma partícula de luz, llamada fotón.

Estas manipulaciones consisten, por ejemplo, en modificar una propiedad de este fotón, llamada "modo espacial". El orden entre las dos operaciones está determinado, no por los científicos mismos, sino por el valor de otra propiedad del fotón, llamada "polarización".

Cuando la polarización del fotón se encuentra en una "superposición cuántica" de dos valores distintos, y después de que un tercer experimentador mida esta polarización al final del experimento, todo este arreglo experimental no puede describirse ni por el escenario en el que la partícula fue manipulada primero por el primer experimentador antes de ser enviada al segundo, ni por el escenario inverso.

Estas intrigantes investigaciones aún se encuentran en sus inicios. Permitirán estudiar el comportamiento de las relaciones temporales o causales a escalas muy pequeñas, en el mundo cuántico. Es importante poder dar sentido a la ausencia de orden temporal o causal entre eventos. De hecho, el orden de los eventos a lo largo del tiempo (y el espacio) forma la base sobre la cual los seres humanos construimos nuestra comprensión de todo.

Por ejemplo, cuando un objeto se rompe después de caer, lo explicamos por su impacto con el suelo tras haber seguido una trayectoria bien definida en el aire. De manera similar, la historia de la humanidad se narra desarrollando una sucesión continua de hechos que ocurrieron en diversos lugares del mundo, en momentos bien específicos.

Para conservar nuestros modos de razonamiento clásicos, debemos comprender qué sucede con las nociones de tiempo y espacio en el mundo cuántico. También hay que dar sentido a su posible ausencia. Para responder a estas preguntas, algunos filósofos y físicos plantean, por ejemplo, que el futuro podría influir en el pasado. Otros contemplan la idea de que el tiempo y el espacio puedan ser solo el "producto derivado" de fenómenos más fundamentales, cuya naturaleza aún está por definir.


Finalmente, el descubrimiento del "quantum switch" y de los órdenes causales indefinidos podría resultar útil en el campo de la informática cuántica y para el desarrollo de futuros "ordenadores cuánticos" de un nuevo tipo. De hecho, la existencia de estos fenómenos podría explotarse para realizar nuevas tareas. También podrían permitir ejecutar ciertos cálculos de manera más eficiente que con ordenadores cuánticos más convencionales.

Así, las investigaciones recientes en física cuántica prometen posibles revoluciones, tanto filosóficas como tecnológicas.

Por Laurie Letertre - Doctoranda en filosofía de la física, Universidad Grenoble Alpes (UGA).
Cyril Branciard, investigador en el CNRS, revisó este artículo y la autora desea agradecerle.