Físicos descubren una pequeña anomalía en la naturaleza del tiempo

La mecánica cuántica ha desafiado constantemente nuestra comprensión cotidiana de la realidad. En este mundo, las partículas pueden existir en una superposición de estados, ocupando múltiples posiciones o configuraciones simultáneamente. Los físicos describen estas posibilidades matemáticamente mediante una función de onda.

Esta imagen contrasta marcadamente con la vida cotidiana, donde un objeto parece estar en un solo lugar y en un solo estado a la vez. Para conectar esta discrepancia, la mecánica cuántica estándar sostiene que cuando un sistema cuántico es medido u observado, su función de onda colapsa a un único resultado definido.

Recientemente, un equipo internacional de físicos, con el apoyo del Foundational Questions Institute (FQXi), exploró una posibilidad más radical. Su trabajo sugiere que ciertas alternativas a la mecánica cuántica estándar, conocidas como modelos de colapso cuántico, podrían tener consecuencias sorprendentes para la naturaleza del tiempo y la precisión de los relojes.

Los hallazgos, publicados en Physical Review Research, también apuntan a una nueva forma de probar estas teorías no convencionales en comparación con la mecánica cuántica estándar.

"Lo que hicimos fue tomar en serio la idea de que los modelos de colapso pueden estar vinculados a la gravedad", afirmó Nicola Bortolotti, estudiante de doctorado en el Enrico Fermi Museum and Research Centre en Roma, Italia, quien lideró el estudio. "Y luego planteamos una pregunta muy concreta: ¿Qué implica esto para el tiempo mismo?"

Cuando los estados cuánticos colapsan por sí mismos

Desde la década de 1980, los físicos han desarrollado modelos en los que el colapso de la función de onda no requiere un dispositivo de medición o un observador. En cambio, el colapso puede ocurrir espontáneamente.

Esto diferencia estas ideas de muchas interpretaciones de la mecánica cuántica, que principalmente ofrecen diferentes explicaciones conceptuales sobre lo que significa la teoría cuántica, pero que generalmente producen las mismas predicciones experimentales que la mecánica cuántica estándar. Los modelos de colapso cuántico van más allá porque predicen efectos físicos que podrían, al menos en principio, ser medidos.

Bortolotti y sus colegas examinaron dos modelos de colapso diferentes. El equipo incluyó a Catalina Curceanu, miembro de FQXi y directora de investigación en los Laboratori Nazionali di Frascati del National Institute for Nuclear Physics (INFN-LNF) en Frascati, Italia, Kristian Piscicchia, en CREF y INFN-LNF, Lajos Diósi, del Wigner Research Center for Physics y de la Eötvös Loránd University, en Budapest, Hungría, y Simone Manti de INFN-LNF.

Uno de los modelos fue el modelo de Diósi-Penrose, que ha propuesto desde hace tiempo que la gravedad puede desempeñar un papel en forzar a los sistemas cuánticos a colapsar en estados definidos.

Los investigadores también estudiaron un segundo enfoque llamado Localización Espontánea Continua. Por primera vez, establecieron una conexión cuantitativa entre ese modelo y las fluctuaciones gravitacionales en el espaciotiempo.

El tiempo puede tener una pequeña incertidumbre intrínseca

Los cálculos llevaron a una conclusión sorprendente. Si estos modelos de colapso son correctos, entonces el tiempo mismo debería contener una cantidad muy pequeña de incertidumbre intrínseca.

En otras palabras, podría haber un límite fundamental sobre cuán precisamente se puede medir el tiempo. Esto no significa que los relojes se vuelvan de repente poco confiables. El efecto predicho es extraordinariamente pequeño.

"Una vez que realizas el cálculo, la respuesta es clara y sorprendentemente tranquilizadora", dijo Bortolotti.

Aún los relojes atómicos más avanzados en funcionamiento hoy, o aquellos que se espera que se desarrollen en el futuro previsible, no serían lo suficientemente precisos como para notar el efecto.

"La incertidumbre está muchas órdenes de magnitud por debajo de cualquier cosa que podamos medir actualmente, por lo que no tiene consecuencias prácticas para la cronometraje diario", afirma Curceanu. "Nuestros resultados muestran explícitamente que las tecnologías modernas de cronometraje están completamente inalteradas", agrega Piscicchia.

Una posible pista sobre la gravedad cuántica

El trabajo aborda uno de los mayores problemas no resueltos en la física moderna: cómo reconciliar la mecánica cuántica con la gravedad.

La mecánica cuántica ha sido enormemente exitosa al describir átomos, partículas y otros sistemas microscópicos. La teoría general de la relatividad de Einstein, por otro lado, describe la gravedad y el comportamiento del espacio y el tiempo en escalas mucho más grandes, incluyendo planetas, estrellas, galaxias e incluso el universo mismo.

Ambas teorías coinciden extremadamente bien con los experimentos en los dominios donde se utilizan. El problema es que tratan el tiempo de maneras fundamentalmente diferentes.

"En la mecánica cuántica estándar, el tiempo se trata como un parámetro externo y clásico que no se ve afectado por el sistema cuántico que se estudia", explica Curceanu.

La relatividad general adopta una visión muy diferente. El espacio y el tiempo son parte de una estructura flexible llamada espaciotiempo, que puede doblarse y cambiar en respuesta a la masa y la energía.

Debido a este desajuste, los físicos han pasado décadas buscando una teoría más profunda que pudiera unificar la mecánica cuántica y la gravedad. Los nuevos resultados sugieren que los modelos de colapso pueden contener pistas sobre cómo la física cuántica, la gravedad y el tiempo podrían encajar juntos.

También ofrecen un beneficio más práctico. Dado que los modelos de colapso predicen efectos medibles que difieren de la mecánica cuántica estándar, experimentos extremadamente precisos podrían eventualmente ayudar a determinar si estas ideas describen algo real en la naturaleza.

Curceanu enfatizó la importancia de apoyar la investigación en preguntas no convencionales en los fundamentos de la física.

"No hay muchas instituciones en el mundo que apoyen la investigación sobre este tipo de preguntas fundamentales sobre el universo, el espacio, el tiempo y la materia", dice Curceanu. "Nuestro trabajo muestra que incluso ideas radicales sobre la mecánica cuántica pueden ser probadas contra mediciones físicas precisas, y que, tranquilizadoramente, el cronometraje sigue siendo uno de los pilares más estables de la física moderna".

Este trabajo fue parcialmente apoyado a través del programa de Consciencia en el Mundo Físico de FQXi.

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