El Nobel Serge Haroche: Einstein se equivocó, “Dios efectivamente está jugando a los dados” en el universo cuántico
Albert Einstein estaba indignado.
Era diciembre de 1926 y la física o mécanica cuántica estaba dando sus primeros pasos como la ciencia que explica el mundo de las partículas más pequeñas, el cual es invisible a los ojos.
"La mecánica cuántica resulta imponente", escribió el físico alemán a su colega Max Born. "Pero una voz interior me dice que, así y todo, no es verdadera".
Y agregó: "La teoría ofrece mucho pero no nos acerca al secreto del Viejo. En cualquier caso, estoy convencido de que él no juega a los dados".
La famosa frase —eternamente citada pero no siempre comprendida en su justo contexto— muestra cómo aún una mente científica brillante como la de Einstein no podía concebir que, a escala de átomos y partículas subatómicas, el mundo fuera raro e impredecible.
En 1935 el físico austríaco Erwin Schrödinger explicó uno de esos extraños comportamientos elaborando lo que hoy es la metáfora más famosa de la física cuántica: la del gato en la caja.
Su experimento mental consiste en encerrar a un gato con un átomo radioactivo, el cual tiene 50% de probabilidades de desintegrarse y emitir un veneno que lo matará. Pasado un tiempo, el gato está vivo y muerto al mismo tiempo, una ambigüedad impensable en nuestra vida cotidiana.
"La forma en que la naturaleza se comporta en esta escala se ve extraño porque es distinto a lo que estamos acostumbrados en el mundo macroscópico que nos rodea", dice a BBC Mundo el físico francés Serge Haroche.
Es que, continúa, "la física cuántica describe un mundo microscópico para el cual no tenemos una intuición directa".
Haroche lo tiene claro: desde que ganó el premio Nobel de física en 2012 viaja por el mundo intentando explicar esta realidad contraintuitiva.
El investigador de 74 años, que este sábado estará en Santiago de Chile participando de la conferencia "Nobel Prize Dialogue", habló sobre cómo el galardón cambió su vida, cómo es estudiar al "gato" de Schrödinger en el laboratorio y de la importancia de la física cuántica aún con la desaprobación de Einstein.
¿Qué piensa de la famosa frase de Einstein de que Dios no juega a los dados con el universo?
Einstein no hablaba de Dios en un sentido religioso, sino que, para él, Dios era una metáfora de la naturaleza. Lo que quería decir es que las leyes de la naturaleza no podían tener una aleatoriedad intrínseca, a lo que Born famosamente le respondió que quién era él para decir a qué juega Dios.
La frase refleja el hecho de que la falta de determinación de la física cuántica era algo que disgustaba a Einstein. Y no solo a Einstein: Schrödinger tampoco estaba cómodo con estos aspectos de la física cuántica.
Pero la historia ha probado que, en este aspecto, Dios efectivamente está jugando a los dados. Hasta ahora no existe un solo experimento que contradiga el hecho de que la física cuántica incluye la aleatoriedad.
¿Es posible que el mundo a escala atómica y subatómica sea aleatorio porque aún no se conoce lo suficiente sobre él y que, en algún momento, la ciencia devele una serie de reglas predecibles como las del mundo que vemos en el día a día?
Creo que la aleatoriedad está aquí para quedarse. En la física cuántica no hay forma en que puedas predecir con certeza qué va a suceder. Pero eso no quiere decir que no podamos estar seguros de algunas cosas: sabemos que si tomamos determinadas medidas, vamos a obtener siempre el mismo resultado. Tampoco quiere decir que no puedas hacer cosas muy precisas. De hecho, los relojes atómicos, que miden el tiempo con una exactitud fantástica, operan según las leyes de la física cuántica.
Es una teoría que tiene inscrita la aleatoriedad y, a la misma vez, permite tomar medidas que son mucho más precisas que las de la física clásica. Esta es una paradoja de la física cuántica que la hace fascinante.
Como científico, ¿cómo le hace sentir esta aleatoriedad?
Por supuesto que se siente raro, pero pienso que es porque nuestra intuición está vinculada a nuestra evolución.
Nuestros cerebros son el resultado de la evolución durante miles de generaciones, en la cual hemos estado expuestos al mundo macroscópico. Entonces tenemos una intuición sobre qué sucederá si, por ejemplo, un objeto está cayendo y cómo protegerte de ser golpeado en la cabeza por él. Esto obedece a las leyes de la física clásica.
En cambio, no estamos acostumbrados a entender qué pasa cuando un átomo se desintegra, por lo que tenemos que tratar de desconectarnos de nuestra intuición básica y aplicar las ecuaciones de la física cuántica que sabemos que funcionan. Esto nos da otro tipo de intuición, una intuición matemática, una intuición sobre qué sucederá si hacemos un experimento.
De hecho, esto es algo que pasa en la ciencia a todo nivel. A medida que la ciencia progresa, puede provocar eventos que se ven raros y que se oponen a la sabiduría popular. Cuando Copérnico dijo que no era el Sol el que giraba alrededor de la Tierra sino al revés, fue una idea muy difícil de aceptar a nivel general y Galileo tuvo una experiencia muy mala tratando de convencer al Papa de ello.
Pelear contra las falsas intuiciones y falsas ilusiones es parte de la ciencia y, en la física cuántica, la ilusión del determinismo es un aspecto importante de la pelea.
Dado que va en contra de la intuición, ¿cómo suele explicar por qué ganó el premio Nobel de física en 2012?
(Se ríe.) Todavía es difícil de explicar. Durante los últimos 30 años, no solo yo sino muchos físicos han estado intentando aprender a manipular y medir sistemas cuánticos aislados, es decir, cómo trabajar con ellos, cómo ponerlos en diferentes tipos de estados cuánticos, cómo ponerlos a interactuar y ver qué resulta de ello.
Estos tipos de experimentos que hacen malabares con sistemas cuánticos aislados han sido posibles gracias al desarrollo de nuevas tecnologías como los láseres, en particular, un tipo de láseres de alta precisión que permiten manipular átomos. Aquí es donde entra el premio Nobel: junto con mi amigo (el físico estadounidense) David Wineland lo ganamos por representar dos formas de lograr dicha manipulación.
Muchas otras personas podrían haber ganado el Nobel por ello. Nosotros solo somos dos personas que representan a una gran comunidad de investigadores de alrededor del mundo que están haciendo este tipo de experimentos.
Desde hace décadas que los científicos saben que las partículas aisladas se comportan de forma extraña, pero no podían observarlas en el laboratorio. Sin embargo, usted logró crear un experimento que por primera vez permitió ver al "gato" de Schrödinger decidir si estaba vivo o muerto. ¿Cómo fue posible?
Un sistema cuántico puede existir en una superposición de estados. En la metáfora del gato de Schrödinger la superposición sería una situación en la que el gato podría estar al mismo tiempo vivo y muerto. Por así decirlo, estaría "suspendido" entre estas dos realidades clásicas.
Por supuesto que esto no funciona para sistemas como gatos porque pasa en tiempos muy muy breves. Pero podemos observar este tipo de fenómenos si manipulamos sistemas mucho más pequeños, que no estén formados por "tropecientos" átomos, sino por apenas unos pocos átomos o unos pocos fotones. Entonces puedes preparar este tipo de superposición y estudiar cómo se pierden las características cuánticas de la superposición a medida que pasa el tiempo. Esto es justamente lo que hicimos.
Logramos atrapar en una caja un campo formado por unos pocos fotones y preparar este campo en una superposición cuántica de dos estados, que llamamos usando la metáfora del estado vivo y muerto. Luego, estudiamos cómo, después de un pequeño periodo, el sistema tenía que decidir si estaba vivo o muerto y no ambos al mismo tiempo.
Esta evolución de la física cuántica a la clásica es llamada decoherencia cuántica. Lo que hace es transformar la letra "y" en la palabra "o", por lo que el gato ya no está vivo y muerto, sino vivo o muerto. El estudio de la decoherencia fue, entonces, uno de los puntos más importantes de nuestra investigación.
¿Existe alguna aplicación práctica para este descubrimiento?
Si es útil o no todavía es una pregunta abierta. El campo de la tecnología cuántica se está expandiendo muy rápido hoy en día. Hay gente intentando usar o aprovechar partículas cuánticas para hacer tareas útiles en las comunicaciones, la computación y en mediciones. Hay avances en muchas direcciones, pero es difícil saber cuál de estos avances llevará a inventos ampliamente utilizados como sucedió con otros aspectos de la física cuántica que llevaron al desarrollo de los láseres, el GPS y las computadoras que usamos hoy en día, por ejemplo.
A la gente le gusta llamar esto "la segunda ola de la revolución cuántica", pero por el momento todavía es algo muy incierto. Muchas de las cosas que estamos pensando que sucederán, no pasarán, pero otras tantas que no estamos siquiera imaginando, sí se harán realidad. Esto es lo que siempre ha sucedido en el pasado. Los científicos abren nuevas avenidas y a menudo se presentan sorpresas inesperadas.
¿Fue la computación cuántica una sorpresa para usted?
Cuando comencé a investigar, solo estaba fascinado por el reto de tratar de manipular un sistema cuántico y averiguar cómo la naturaleza se comportaría. Pero en ese entonces, algunas personas no creían que seríamos capaces de lograrlo. El propio Schrödinger dijo en los años 50 que nunca podríamos lograrlo porque para eso era necesario manipular átomos aislados y él pensó que eso siempre estaría en el dominio de los experimentos imaginarios y no del laboratorio.
Pero Schrödinger murió en 1961 y, en la década de 1960 y 1970, el láser fue desarrollado. En ese entonces yo era un joven investigador y me fascinaron las perspectivas que abría al láser. Y me di cuenta que efectivamente sería posible manipular átomos aislados. Pero no tenía idea de que podía derivar en una computadora cuántica.
Luego, en los 90, algunas personas empezaron a especular con que la computadora cuántica podía ser el resultado de este tipo de investigaciones. En ese entonces era escéptico porque me di cuenta que los experimentos con un solo átomo ya eran demasiado difíciles y para hacer funcionar una computadora cuántica, tendrías que manipular millones de átomos al mismo tiempo.
Esto todavía es un desafío hoy, 20 o 30 años después. Estamos jugando con pequeños sistemas, que demuestran los pasos básicos de la operación de una computadora, pero todavía no sabemos cómo podríamos aumentar hasta llegar al tamaño de una computadora que haga tareas verdaderas.
Para mí es fascinante cómo en la ciencia el resultado es mayormente impredecible. Lo único seguro es que nunca tendrás una aplicación y tecnología si antes no tienes ciencia básica, si no entiendes el fenómeno. Lo que sucederá después no lo sabemos y hay muchísimos ejemplos de ello en la ciencia moderna.
Por ejemplo, las tomografías o imágenes por resonancia magnética (IRM), que permiten tomar imágenes de adentro de nuestro cuerpo con una precisión fantástica y que son usadas por doctores de todas partes del mundo, son una aplicación de la resonancia nuclear magnética. Quienes inventaron la resonancia nuclear magnética en la década de 1940 se sorprendieron cuando, 20 años después, derivó en la creación de la máquina de IRM. Es que, para eso, no solo debías tener resonancia magnética, sino también campos magnéticos altos, que no eran posibles en aquella época, y debías tener computadoras, que no existían.
Todo esto es el resultado de una combinación de ciencia básica desarrollada por distintos científicos en distintas áreas y que se cristalizó en esta máquina de una manera que no pudo ser prevista cuando los primeros experimentos se hicieron.
¿Es de esto de lo que tratará la charla "La utilidad del conocimiento inútil" que dará en Chile?
Lo que llamamos "inútil" es la ciencia que está movida por la curiosidad y la "útil" es la que lleva a una aplicación y a dispositivos. Lo que decimos es que está mal oponer este tipo de ciencias: no hay forma de tener aplicaciones prácticas o "útiles" si no haces ciencia básica o "inútil" antes. La ciencia que se mueve solo por la necesidad de aumentar el conocimiento es algo muy importante porque está en la base de la civilización.
Hoy en día mucha gente está hablando de "hechos alternativos" y de la "posverdad", y estas son cosas a las cuales que se opone la ciencia. Los valores de la ciencia son los valores de la verdad y, si los enseñas a través de la educación, podrás tener sociedades que sean menos propensas a seguir personas que simplemente mienten todo el tiempo.
La ciencia básica puede parecer inútil, pero crea una atmósfera donde los valores de la verdad sobreviven y esto es muy importante.
¿De qué manera afectó su vida el ganar el premio Nobel?
Afectó mi vida en muchos aspectos, porque me convertí en alguien que es buscado por los medios y recibo muchas solicitudes. Me invitan a dar charlas y conferencias, y viajo seguido por el mundo. Pero no me quejo porque me gusta conocer gente, viajar y dar charlas, sobre todo a estudiantes de nivel secundario, porque creo que es muy importante.
Además, ya estoy formalmente retirado del Colegio de Francia, por lo que ya no tengo que dar clases semanalmente. Si no fuese por el Nobel, mi vida sería mucho más tranquila en este momento, por supuesto.
Gracias al premio Nobel también pude mantener mi laboratorio en el Colegio de Francia y mis colegas están trabajando muy duro para continuar este tipo de investigación, e intento estar en contacto con ellos y saber lo que están haciendo. Participo en las investigaciones a través de la escritura de papers. Estoy muy activo, lo cual ciertamente se hizo más fácil por el reconocimiento del Nobel.
¿Y cómo fue ese momento en que se enteró que había ganado el Nobel?
Era el final de la mañana en París y estaba caminando por la calle, cuando recibo una llamada y veo que el código de país era de Suecia. Entonces pensé: "O es un mal chiste o es un evento importante". Era la segunda.
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