Nuevo articulo de Manuel Béjar donde se nos hace reflexionar sobre los nuevos paradigmas metafísicos surgidos de la física cuántica y de la verdadera naturaleza de sus procesos derivados a nivel subatómico.
El fondo holístico que permea todo el universo hace nacer la realidad física
Del orden cuántico en física de partículas al fondo cuántico de energías
La física cuántica desarrollada en el XX ha constatado una arquitectura fenomenológica que exige una revisión crítica de los presupuestos ontológicos clásicos. Todavía en el siglo XXI, la física cuántica sigue desplegando su alcance explicativo y ya se han iniciado las primeras tentativas que proyectan su concepción de la materia hacia otros campos tradicionalmente abordados por las ciencias humanas clásicas. Sin duda nuestra concepción ilustrada de la realidad ha de abrirse a la luz de la física moderna y prepararse para una nueva cosmovisión de referencia que oriente el desarrollo del nuevo humanismo científico. Por Manuel Béjar.
Orden cuántico, partículas y energía fontanal
La física de partículas elementales es por antonomasia y mérito una disciplina ejemplar dentro de una ciencia paradigmática. Íntimamente ligada al desarrollo de la teoría cuántica, la física de partículas nos ofrece un conocimiento inestimable tanto del mundo físico microscópico como del macrocosmos. El desarrollo de sofisticados aceleradores donde se hacen chocar partículas a velocidades casi lumínicas ha producido un amplísimo conocimiento acerca de los componentes físicos fundamentales de la materia y de sus interacciones.
Fenomenología de la composición física de la materia
El carácter fundamental de las partículas es un concepto histórico que depende de las energías usadas en el estudio de la materia. A energías en torno a 1015 eV, existen tres tipos de partículas fundamentales que conforman la materia fermiónica: leptones, neutrinos y quarks. Toda la materia ordinaria está constituida por partículas de alguno de estos tres tipos. Cada uno presenta tres familias. Existen tres tipos de leptones (electrones (e-), muones (m -) y tauones (t -)) asociados con sus respectivas familias de neutrinos (electrónicos (ne), muónicos (nm) y tauónicos (nt) y tres familias de quarks (up-down (u-d), charm-strange (c-s), bottom-up (b-u)). En total son doce las partículas fundamentales distribuidas en tres familias con los mismos números cuánticos pero distinta masa.
En la actualidad resulta bien conocido que todas las partículas fundamentales interaccionan gravitatoria y débilmente, pero sólo los quarks sufren la interacción fuerte. Las partículas fundamentales fermiónicas se ligan unas con otras a través del intercambio de otras partículas denominadas bosones mediadores. Construida desde principios matemáticos de invariancia gauge, la teoría cuántica de campos explica el amplio espectro de partículas a partir de las doce partículas fundamentales y tres bosones mediadores, también denominados bosones gauge.
La mecánica cuántica es una teoría dependiente de las relaciones de fase, pero no de la fase global de un sistema físico cuántico. No importa el valor de la fase elegido localmente sino las diferencias de fase entre las partes de un sistema. Puesto que la teoría cuántica es sensible a los incrementos de fase, la elección previa debe ser la misma para todo el sistema. Se requiere de una invariancia global de fase para no introducir perturbaciones extraordinarias. Ahora bien, ¿cómo es posible que todas las partes de un sistema acuerden en la misma elección física sin violar la causalidad local de la Relatividad?
No existe ninguna onda relativista que haga homogénea la fase global de un sistema físico si no está globalmente conectado de algún modo intrínseco. Es imprescindible, pues, desde el punto de vista físico introducir desviaciones locales de fase entre una parte y otra del sistema. Consecuentemente, la evolución física del sistema cuántico quedará perturbada, digamos, a priori; es decir, previamente a la acción de las interacciones físicas. Para evitar estas molestas perturbaciones basta incluir en las ecuaciones de las teorías de campos un elemento que contrarreste el efecto, un término que devuelva la invariancia global requerida: esto es, un término gauge.
Tras aceptar cambios locales de fase e introducir el término gauge, la función de onda del sistema verifica una ecuación equivalente a la de Schrödinger que es invariante bajo transformaciones locales de fase [1] e incluye las correcciones relativistas pertinentes. Curiosamente, los cambios válidos para dejar invariante la ecuación de la electrodinámica cuántica son los mismos que los permitidos en la elección del gauge electromagnético del potencial vector del electromagnetismo clásico. La libertad gauge clásica equivale a la invariancia gauge cuántica.
El alcance de las cuatro interacciones fundamentales depende de la masa de sus respectivos bosones. De acuerdo con el principio de Heisenberg, cuanto mayor sea su energía en reposo, menor es el tiempo de vida media y, por tanto, pueden recorrer distancias menores, reduciéndose su alcance. Las interacciones de alcance ilimitado son la electromagnética y gravitatoria, mediadas respectivamente por el fotón y el gravitón, que carecen de masa. Los bosones débiles son realmente masivos (1011 eV). Por ello, la interacción débil queda limitada al interior del núcleo. Los mediadores sólo pueden conectar partículas a distancias típicas de la escala subnuclear. De igual manera, los gluones sólo hacen interaccionar a quarks que comparten el mismo recinto nuclear. A diferencia de los bosones débiles, los gluones carecen de masa, pero debido a interacciones entre ellos se forma una masa efectiva equivalente no nula que limita el alcance de la interacción. Podemos decir que el gluón desnudo de masa nula es revestido con una energía de interacción que lo dota de masa y, en consecuencia, la interacción fuerte se hace de corto alcance.
Junto a las doce partículas fundamentales y los tres bosones mediadores descubiertos se encuentran una gran variedad de partículas resultantes de los procesos de síntesis. En primer lugar, por cada partícula elemental existe una compañera con cargas físicas opuestas. Son las partículas de antimateria que, al interaccionar con la materia ordinaria, se transforman en radiación electromagnética.
Existen partículas que permanecen estables durante un brevísimo periodo de tiempo (10-23s) hasta desintegrarse por interacción fuerte en partículas más estables como protones, neutrones y piones. Son las partículas delta y sigma, que son resonancias bariónicas: partículas con mayor energía que las fundamentales. Es posible, incluso, que existan un número ilimitado de estas resonancias con mayor masa y espín. A energías mucho más elevadas que la de los modernos aceleradores (1017 eV) no sería posible otorgar el calificativo de fundamental a los electrones, neutrinos y quarks frente a las resonancias. La elementalidad de las partículas depende de la energía del entorno en cuestión [2].
La actividad física de la materia
Tras presentar la fenomenología de la composición física de la materia nos disponemos a indagar en la idea que la física de partículas ofrece acerca de la actividad física de la materia. La elementalidad de las partículas fundamentales depende de la energía del universo. No es algo absoluto. A altísimas energías, la física de partículas no puede distinguir los elementos básicos de la materia. Todo es un energético dinamismo que hace emerger multitud de partículas denominadas resonancias. Incluso, en situaciones de menor energía, cuando las interacciones físicas determinan las partículas fundamentales por su mayor estabilidad, podemos seguir hablando de la naturaleza emergente de la materia desde un soporte básico primario.
Los hadrones son partículas resultantes de una interacción entre elementos físicos, los quarks, que carecen de existencia individual. El protón no es la mera suma de tres quarks, pues el quark individual carece de sentido. No existe un quark aislado. En realidad el protón es producto emergente de las interacciones cuánticas entre gluones y quarks. El protón es el todo surgido de una sinergia física. Su individualidad y propiedades físicas están mejor definidas que las de sus constituyentes.
En su dinámica desde un soporte energético fundamental, la materia emergente evoluciona hacia estados de mayor definición física como consecuencia de sus interacciones cuánticas básicas. Observamos cómo se va adquiriendo una mayor individualidad sin anular definitivamente el potencial emergente de su verdadera ontología. La física supera la epistemología newtoniana clásica de partículas elementales que se entienden como constituyentes básicos individuales de la materia. La individualidad de una partícula es un producto emergente que resulta de la interacción. El protón es lo que es por la interacción de los campos cuánticos y no por la suma de las individualidades de sus constituyentes.
En sintonía con el carácter fundamental de las partículas físicas, el espacio-tiempo de Einstein tampoco es un concepto absoluto. El espacio-tiempo es una estructura dinámica que sufre la presencia de las partículas a través de la interacción gravitatoria. Recíprocamente, este dinamismo perturba el contexto relacional de las partículas. A través de la interacción gravitatoria, el espacio-tiempo participa de la dinámica del zoo de partículas. Es, en definitiva, materia. Se trata de materia con unas propiedades físicas tan bien definidas como las de las partículas: curvatura, densidad de energía, constante dieléctrica, permeabilidad magnética… Podríamos decir, incluso, que el espacio-tiempo es una macropartícula que universaliza al resto de partículas, unificándolas en una región que favorezca su interacción mutua. La gravedad moldea la forma del espacio-tiempo e indirectamente determina las leyes físicas de las demás interacciones físicas.
En su condición de materia, la naturaleza física del espacio-tiempo depende de las condiciones energéticas. Si a bajas energías el espacio-tiempo se comporta como un soporte básico donde se manifiesta la actividad física, resulta bien conocido que el influjo de cuerpos muy masivos o campos muy energéticos transforman gravemente su naturaleza, alcanzándose un estado físico que las ciencias físicas no aciertan a describir con precisión. Al igual que con las partículas, a elevadas energías el espacio-tiempo parece descomponerse y dejar paso a un orden subyacente más básico. ¿De dónde surge, pues, el espacio-tiempo?
La pregunta que formulamos nos sitúa en la frontera del conocimiento científico, al borde de la especulación metafísica. Aun conscientes de las limitaciones científicas de estudiar un espacio-tiempo ultra-energético, trataremos de permanecer del lado de la ciencia relacionando las especulaciones teóricas con algunos de los fenómenos cuánticos del comienzo del capítulo. Si bien es cierto que la energía de los aceleradores sólo perturba ligeramente la estructura espacio-temporal, no resultan despreciables los efectos físicos que se producen.
Las partículas que chocan violentamente en regiones espaciotemporales muy localizadas experimentan procesos físicos inexistentes en las condiciones ordinarias clásicas. Tras un choque energético no es posible predecir con certeza cuáles son las partículas resultantes. Posiblemente porque antes del choque no está definida la individualidad de los constituyentes de las partículas que colisionan. En cada colisión de partículas en los aceleradores resultan numerosos y distintos tipos de partículas. Es después del choque cuando la interacción de los campos cuánticos genera la individualidad de los nuevos productos de partículas. De forma efectiva, parece que la colisión provoca la emergencia de nuevas partículas. Así pues, aun a energías insuficientes para disgregar el espacio-tiempo, es posible comprobar su naturaleza emergente.
Partículas y altas energías
Extrapolando las teorías de campos cuánticos a energías más y más altas, se llega a fascinantes conclusiones acordes con el espectro de fenómenos cuánticos observados. La teoría de campos establece que tanto mayor ha de ser la energía de las partículas cuanto más profundamente se desee desentrañar la materia. A energía de 1017eV es posible alcanzar los escondijos del núcleo atómico hasta sentir la presencia de las interacciones fuerte y débil que experimental los quarks a escalas de 10-18m. Según reducimos la escala espacial y localizamos mejor la región espaciotemporal en cuestión, producimos una mayor indefinición en su cantidad de momento o energía, de acuerdo con el Principio de Heisenberg.
Es decir, al acotar cada vez más una sección de espacio-tiempo, ésta se vuelve más indefinida. Tiene una dinámica tan energética y localizada que, lejos de ser un espacio-tiempo plano o suavemente curvado, presenta un patrón cuántico fluctuante de lo más irregular. El espacio-tiempo adquiere una estructura compleja con múltiples interconexiones [3]. Con energías suficientes para alcanzar los 10-35m, en la escala de Planck, se pierde toda definición: el espacio-tiempo tal y como lo conocemos deja de tener sentido físico. Siguiendo la analogía de Greene, se inspeccionaría la caldera principal de la fábrica del cosmos. El espacio-tiempo relativista tampoco es el fundamento primario de la realidad material. Si él mismo se descompone a energías de Planck, debemos preguntarnos cómo se compone el espacio-tiempo a partir del fondo planckiano [4].
Al hablar de fondo planckiano no debemos pensar en una esencia física de carácter absoluto. Tanto epistemológicamente como científicamente carece de sentido atribuir la condición de absoluto a un ente físico. En este fondo de energía desaparece la idea clásica de materia atómica en favor de una concepción más campal, múltiplemente conexa, donde emergen las estructuras físicas capaces de mantener estas propiedades cuánticas bajo determinadas condiciones.
El fondo de energía planckiano es materia a 1028eV. No es una energía independiente. Es un campo de energía ligado con la materia fenoménica, tanto corpuscular como campal. Se trata de energía en interacción que produce el espacio-tiempo y las partículas que en él se sintetizan. En la frontera del espacio y del tiempo, el fondo de Planck es energía cuya razón de ser pierde todo sentido físico si su esencia fuese independiente de la materia explícita. La materia existe gracias a la actividad física de este fondo cuya esencia física es producir el espacio-tiempo, las partículas y los campos.
Las propiedades físicas están íntimamente ligadas con el entorno. La física de partículas no concibe partículas desnudas independientes como si tratara de pequeños corpúsculos indivisibles. Las partículas, cuya naturaleza física fundamental es siempre relativa, son objetos materiales revestidos o apantallados por la actividad del vacío [5]. En el vacío están constantemente sintetizándose partículas virtuales que afectan a las propiedades físicas observables. Pretender interactuar con la esencia física de la partícula es un sinsentido pues no existe esencia física pura sino interrelación. En síntesis, podemos concluir que cada partícula es más un todo a través de su ligazón a una ontología capaz de hacer emerger materia, que un mero constituyente. La materia es en sí misma más interacción que individualidad, aunque la materia pueda gozar de una relativa independencia a través de estructuras más complejas surgidas en este orden físico holístico.
Desde el punto de vista de la física todo es materia en actividad física. Precisamente esta actividad de la materia, el dinamismo físico, permite su estudio científico. La materia es, pues, el resultado de una interrelación entre un fondo omnipresente interactivo cuyo estado de mínima energía es el vacío cuántico, siempre fluctuante, de donde emerge en condiciones energéticas adecuadas el espacio-tiempo y las partículas, como condensaciones del oscilante vacío a energías de Planck.
No existe una materia física fundamental. Cualquier partícula fundamental no es una entidad individual independiente de este fondo de energía. No es tanto una individualidad cuanto el producto de una necesaria coexistencia. Por ello, los físicos de partículas niegan que la masa de una partícula libre sea un observable. Carece de sentido físico porque cualquier partícula está siempre en interacción. Por tanto, al referirse a la masa de una partícula se entiende la masa efectiva que resulta bajo la acción del entorno energético.
Las partículas son concentraciones de la energía del vacío revestidas de fluctuaciones del vacío cuántico. No es posible pensar científicamente en un sustrato más fundamental, pero sí generar una explicación de la ligazón implicada-explicada entre el fondo de Planck y el espacio-tiempo. El espacio-tiempo es la consecuencia física explicada de una interacción holística más profunda en el fondo de energía de Planck. Es la macropartícula resultante de la interacción coherente de la energía subyacente, donde prima la interacción sobre la individualidad.
Alcanzamos ya la sexta afección ontológica en el lenguaje de la física.
Fin del absoluto ontológico
La física nos conduce hacia un fondo de energía de cuya interacción surgen el espacio-tiempo, los campos y las partículas. Todo fenómeno físico apunta hacia un mismo origen. El lenguaje de las modernas teorías físicas pretende definir un estatus básico de interrelación para la materia. A nuestro entender, no se pretende ya tanto buscar un orden causal hasta el origen de la materia cuanto hallar una interrelación mutua coherente de la materia. No hay partículas sin campos, ni campos sin espacio-tiempo, ni estructura espaciotemporal sin el entrelazamiento coherente del fondo de energía. Ni, siquiera, fondo de energía sin partículas virtuales, pues sólo se entiende como una ontología cuya actividad física hace emerger la materia.
Todo es materia interconectada en el fondo planckiano de energía. Sólo existe el todo. Las partes no pueden entenderse sin referirlas coherentemente a un único todo. Es decir, el inabarcable todo es cuanto existe; pero su esencia puede ser aprehendida en la interrelación de sus partes. Es en el comportamiento colectivo emergente de la materia donde se capta su esencia consecuente con el conjunto de principios básicos más fundamentales. El lenguaje de la física no se refiere ya a una esencia en sentido absoluto. Más bien, la esencia radica en un holismo con potencial para hacer emerger los fenómenos desde una interrelación global que deja al absoluto ontológico en un plano marginal.
Es posible pensar que tanto permanecer al resguardo del ingenuo realismo, el lenguaje de la física termina rozando el idealismo epistemológico. Esta es la posición de la escuela de Bohr. Al final todos son conceptos, muy bien relacionados, que permiten explicar la realidad como epifenómeno. En la actualidad, con los descubrimientos de la física cuántica, es posible materializar los conceptos en una ontología que fundamente el ser físico. Esta ontología no entiende de determinismos clásicos, ni de leyes causa-efecto, ni siquiera de la continuidad del mundo macroscópico. La razón de ser de esta ontología es ser en relación. Y producir los seres como resultado de la fragmentación de interacciones en distintos niveles de realidad. Hasta tal punto es así que sabemos cómo la decoherencia de las interacciones no-locales de esta ontología produce nuevos elementos de realidad. La realidad es no-local y según se destruye la no-localidad la globalidad genera individualidad. Por eso decimos que la ontología no acepta la localidad clásica y que las partículas clásicas son elementos ónticos de una ontología dinámica menos conectada.
En síntesis, desde nuestra interpretación metafísica del lenguaje de la física no podemos decir que la física descubra una realidad última fundamental. No parece que exista una ontología que es lo que es y no puede ser de otra manera. La experiencia física nos desvela que existen múltiples niveles de realidad en correspondencia con distintos órdenes de conexión de una ontología dinámica con potencial para fragmentarse y sintetizar los elementos ónticos que constituyen las estructuras presentes en nuestras experiencias conscientes. No tenemos experiencia de esta ontología como soporte de la actividad física, pero sí es posible derivarla como consecuencia metafísica de los experimentos cuánticos. Ahora bien, no hay razón para dotarla de un carácter absoluto; porque los experimentos muestran variabilidad ontológica. Podría decirse que lo absoluto es la relación, pero si es relación no es absoluto. Y en este sentido hablamos del fin del absoluto ontológico.
La última frontera de la física
Los experimentos cuánticos forzaron un giro en el lenguaje de la física desde el continuismo clásico hacia la discontinuidad en el espectro de valores posibles para algunas magnitudes observables. A diferencia del caso clásico un sistema cuántico dispone de un número discreto de estados distinguibles. Por ello, basta una cantidad finita de información para registrarlos. Las leyes cuánticas hacen finita la cantidad de información necesaria para especificar el estado de un sistema físico en el régimen cuántico. Sin alternativas no hay información, porque la rigidez absoluta sería única y no necesitaría ser etiquetada.
La diversidad y la sorpresa hacen posible la información. Si todo estuviera determinado los acontecimientos presentes no producirían información. La información ya se tendría de antemano. Del mismo modo si todo fuera absolutamente único no habría posibilidad de que generara información, puesto que todo es de una sola manera y no hay posibilidad de que informe ser de manera distinta. Esto no es así en realidad. Solo la nada y lo absoluto se registrarían con cero bits de información. La realidad es que los procesos cuánticos generan información cuando se resuelve la incertidumbre cuántica y se genera el estado clásico observable. En la práctica, el número de alternativas cuántica en un sistema finito es finito y, por tanto, la información también es finita y cuantificable.
La reciente computación cuántica explota precisamente el extraño comportamiento del régimen microscópico. Los ordenadores cuánticos son dispositivos capaces de procesar la información de átomos individuales, fotones y demás sistemas microscópicos. En la actualidad se han construido pequeños ordenadores cuánticos a escala microscópica. Sabemos cómo hacer que unos pocos átomos realicen computaciones simples con la información que almacenan. Pero aún no disponemos de ordenadores cuánticos macroscópicos.
Teoría de la información y lenguaje de la física
Con el desarrollo de la teoría de la información el lenguaje de la física integró en su vocabulario el bit como expresión de la unidad mínima de información. La relevancia creciente de la teoría de la información en la física cuántica ha provocado una readaptación del lenguaje físico en su aplicación a la interpretación de la realidad. Aparecen novedosos conceptos como el de campo de información que origina la realidad material del orden fenomenológico. Desde la perspectiva de la información cuántica, el universo entero se entiende hecho de bits.
Los bits clásicos tienen un único valor individual bien definido: el cero o el uno. A diferencia de un bit clásico, un bit cuántico o qubit puede registrar una combinación de los dos valores a la vez. De acuerdo con la interpretación de la realidad cuántica seguida en este artículo diríamos que el qubit no tiene un individualidad óntica definida, pues permanece en una ontología cuántica que aún no se ha fragmentado para producir el bit clásico concreto y la consiguiente determinación del valor cero o uno.
Puesto que el qubit goza de las propiedades cuánticas de su ontología, un ordenador cuántico puede ejecutar simultáneamente varias computaciones. El procesamiento cuántico en paralelo es distinto del clásico, ya que no se trata de una mera asociación de procesadores operando juntos. Más bien, en computación cuántica un único procesador realiza varios procesos simultáneamente, del mismo modo que una partícula cuántica puede estar en varias posiciones al mismo tiempo. El ordenador cuántico se beneficia de la ontología cuántica para procesar la información del mismo modo que lo hace la realidad cuántica por su razón de ser ontológica.
Un ordenador cuántico se entiende como una colección de qubits. Su potencia de computación es proporcional al número de qubits. Diez qubits pueden realizar 1024 operaciones simultáneas. Con n qubits se realizarían 2n operaciones simultáneamente. El universo en su conjunto es un inmenso ordenador cuántico que procesa los bits registrados en el campo de información. Cuando decimos que el universo computa entendemos que su lenguaje de computación son las leyes físicas. La computación del universo no parece ser clásica, ya que los bits clásicos no funcionan bien para almacenar la información de un sistema cuántico.
Al ser cuántico el nivel fundamental del universo, el cosmos debe comportarse como un computador cuántico. Ante la pregunta de qué información se está procesando, se respondería que el universo se computa a sí mismo, pues el universo es información. El universo es un todo autosuficiente de información capaz de procesarla para ganar en complejidad.
El concepto de universo computacional no se opone a la idea clásica de universo físico. La cuestión de fondo a discutir del universo computacional es: ¿de dónde procede la energía? A este interrogante la física cuántica responde que la energía es analizable físicamente en términos de campos cuánticos, que conforman la fábrica del universo y de cuyo oleaje emergen las partículas elementales. En este sentido, la información y la energía desempeñan funciones complementarias en el universo. La energía hace que las cosas sean y la información les dice qué deben ser. Hacer algo cuesta energía y especificarlo necesita información. La sorpresa y la diversidad tan características de nuestro mundo físico, biológico, psíquico y cultural indican que la concreción de nuestro mundo requiere procesar la información que hace posible la determinación individual en el orden global.
En el lenguaje actual de la física podemos asegurar que información y energía están al mismo nivel fundamental. La complejidad de las estructuras fenomenológicas del universo es una manifestación del potencial cósmico para computar la información cuántica fundamental que gobierna los procesos microscópicos. Todos los sistemas físicos son últimamente cuánticos. Y, por tanto, registran, procesan y generan bits de información. El valor de un bit de información no es algo absoluto por su valor específico sino, más bien, algo en relación con otros bits involucrados en el proceso de información. No importa tanto la parte como el todo para entender cómo surge la evolución dinámica del universo hacia la complejidad desde el procesamiento de información en sistemas cuánticos. Es más, de nuevo la parte no está definida como individualidad en la ontología cuántica y por ello tiene mayor importancia el carácter holístico de la realidad.
Avanzar en la tecnología de ordenadores cuánticos permitirá profundizar en cómo el universo genera estructuras complejas a partir del registro y procesamiento de su propia información. Si pensamos que el ordenador cuántico macroscópico universal es el propio universo, entonces el objetivo principal es revelar el papel fundamental que la información desempeña en la evolución del universo. En opinión de algunos físicos actuales, un ordenador cuántico artificial realizaría el mismo procesamiento de la información siguiendo las mismas instrucciones y obtendría los mismos resultados.
Según Lloyd [6], un supuesto observador no sería capaz de distinguir el procesamiento cuántico del universo del de un simulador. El universo no puede ser completamente desvelado salvo que se obtenga un duplicado indistinguible del original. A su modo de ver, el ordenador cuántico y el universo serían esencialmente idénticos; pues, a su juicio todo es una manifestación de la computación cuántica del universo. Lloyd se lamenta de que aún no se disponga de un simulador cuántico universal, pero afirma que bastaría un ordenador cuántico que realizara 10122 operaciones por segundo con un total de 1092 bits. Un ordenador cuántico funcionaría como un simulador universal del mismo modo que propio universo físico. La simulación podría llegar a ser tan precisa que el comportamiento del ordenador fuera indistinguible del universo. ¿Quiere decir esto que un futuro ordenador cuántico creado con una tecnología futura podría producir un nuevo universo?
Recordemos que información y energía están en el mismo nivel fundamental. Si hipotéticamente se dispusiera de un ordenador cuántico que procesara la información como el propio universo, tendríamos un gran simulador cósmico que, en el mejor de los casos, nos permitiera influir en la evolución del universo –como en realidad ya hacemos en el presente a escala planetaria. Pero no debemos pensar que podríamos crean un nuevo universo, porque ¿de dónde se obtendría la energía? Si nuestro universo no ha producido aún un universo hijo probablemente se deba a que todo el universo carece de la energía necesaria para hacerlo factible. Centrémonos, pues, en la explicación del origen de nuestro universo desde la teoría cuántica de la información.
El universo primitivo, simple y ordenado, podía ser descrito con unos pocos bits de información. Tras el inicio de la expansión, la energía libre primordial disponible en los campos cuánticos permitió que se materializara el procesamiento de la información cósmica en las primeras partículas elementales. A medida que el universo se expandía fue procesando información, transformándose y registrando nuevos bits de información que guiaron los siguientes estadios característicos de la evolución hacia la complejidad. Cuando el universo se enfrió lo suficiente para evitar que las partículas perdieran su individualidad, empezaron a formarse los primeros condensados locales de partículas. El universo fue aumentado su entropía, aunque, seguía siendo uniforme y sin estructura a gran escala. Entonces, ¿cómo surgió la estructura cósmica a gran escala?
Los orígenes de la estructuración macroscópica del universo se explican en la sinergia entre las leyes de la gravedad y de la física cuántica. Debido a fluctuaciones cuánticas algunas regiones del universo se volvieron ligeramente más densas que otras. La gravedad amplificó estas fluctuaciones de densidad hasta el nivel macroscópico. En este proceso se generaron nuevas cantidades de energía libre que permitiría en el futuro la estructuración y emergencia de los seres vivos. Esta facultad de la gravedad se asemeja a las propiedades del caos: una levísima diferencia puede producir grandes divergencias en el futuro.
El azar es también un elemento importante en la evolución del universo. La generación de bits aleatorios de información juega a favor de la emergencia de la complejidad en el universo. Un sistema absolutamente estable no evoluciona pues no tantea alternativas que lo hagan mejorar. Al azar muchas de estas alternativas son contraproducentes, pero algunas sí podrían ser beneficiosas. Los bits aleatorios dependen últimamente de las fluctuaciones cuánticas en el despertar del universo. Parece posible, pues, que la aleatoriedad cuántica haga mejorar el programa del comportamiento futuro del universo sin necesidad de recurrir a un centro de inteligencia que lo diseñara absolutamente desde el principio. En este sentido, el universo se haría inteligente a sí mismo.
Boltzmann argumentaba que la complejidad del universo se debía al azar; es decir, lo atribuía a la consecuencia de una fluctuación estadística como en el caso gravitatorio. En la actualidad muchos patrones de complejidad matemática pueden ser producidos por programas informáticos simples. En la física clásica de Boltzmann, conocer las partes de un sistema es comprender el sistema como un todo. Pero en física cuántica el sistema en su conjunto puede estar en estado holístico bien definido, aunque sus constituyentes no tengan definida su individualidad. Así, en un entrelazamiento cuántico podemos conocer el estado un sistema cuántico en su conjunto, pero no los estados cuánticos individuales de sus constituyentes. Tiene sentido físico el conjunto, pero no las partes que se derivan tras la fragmentación del estado cuántico en el proceso de decoherencia. De acuerdo con Lloyd el entrelazamiento es el responsable de la generación de información en el universo. De esta manera se contempla la posibilidad de producir información física en el lenguaje actual de la física cuántica.
Las leyes de la física cuántica están permanentemente inyectando nueva información en el universo debido a las omnipresentes fluctuaciones cuánticas. Las fluctuaciones cuánticas están reprogramando el universo, de la misma manera que el azar físico regula la recombinación genética en un embrión. Aunque el universo era simple de inicio pudo intrínsecamente generar con el tiempo estructuras complejas debido a la superposición coherente de estados cuánticos. En estado de superposición cuántica el universo pudo realizar en paralelo todas las posibles computaciones y generar la complejidad que hoy percibimos.
Siguiendo a Lloyd, los qubits podrían representar valores locales de la densidad de energía en el universo primitivo. Las superposiciones coherentes propagaron la información y originaron los procesos de transformación cuántico-clásica de algunos qubits en bits. En este proceso de reducción clásica la gravedad se acopló a las fluctuaciones de energía de los qubits y operó como un amplificador macroscópico que causó la gravedad clásica, liberó grandes cantidades de energía gravitatoria, rompió el equilibrio cuántico y originó la compleja estructura del universo a gran escala.
Fin de la unicidad del diseño ontológico
De acuerdo con la moderna teoría cuántica de la información el universo es capaz de diseñarse a sí mismo. Debido al carácter holístico de su existencia la historia del universo podría haber sido muy distinta. Abusando del lenguaje de las teorías de la información cuántica diríamos que el universo no nace, sino que se hace. Cuando se afirma que el universo funciona como un ordenador cuántico se entiende que el universo procesa simultáneamente todas sus posibles historias y termina produciendo una realidad física concreta.
En este sentido, concluimos en esta séptima afección ontológica del lenguaje físico afirmando que no hay razón física para afirmar la preexistencia de un diseño ontológico previo al comienzo de la actividad física del universo. Más bien, se desprende de las teorías físicas que el soporte del universo físico es un sustrato ontológico totipotente. Algo parecido a las células totipotentes cuyo diseño no está preestablecido en su naturaleza sino que se determina en función de la información que procesa en convergencia con otras células de su entorno.
A nuestro modo de ver la carencia de elementos de realidad que constituyan la ontología cuántica es un indicador de que no hay un absoluto ontológico y de que la ontología del universo es capaz de producir novedades que se concretan en los elementos ónticos del régimen clásico. Usando el lenguaje de la física de la información cuántica, el universo produce información cada vez que emergen las realidades individuales clásicas de un fondo ontológico más holístico. Esa información es necesaria para dar forma a la ontología cuántica que se fragmenta. En la formalización del mundo clásico la interacción gravitatoria ha sido fundamental al introducir nuevos grados de libertad que se han aprovechado para que la complejidad emergiera en un universo que en sus inicios fue puramente cuántico.
Sabemos que la gravedad es la única interacción física que no ha desvelado experimentalmente un comportamiento cuántico. Posiblemente la asimetría entre la gravedad y las tres interacciones cuánticas sea el origen de la estructuración y complejidad creciente en la evolución cósmica a gran escala. Quizás de haber sido también una interacción cuántica tan potente el universo físico que observamos no existiría porque todo perduraría en su ontología cuántica original. Es posible que la gravedad también tenga una naturaleza cuántica.
De ser así, sería interesantísimo estudiar los sistemas físicos con gravedad cuántica. Es de suponer que estos sistemas estarían muy próximos a la ontología cuántica primordial y podríamos seguir profundizando en la naturaleza ontológica de la realidad. La observación de la evolución de estos sistemas gravitatorios cuánticos abriría nuevas ventanas hacia la metafísica de la realidad y se descubrirían potentes vías heurísticas para conocer cómo se debió fragmentar la ontología primordial y comenzó a diseñar el universo de las estructuras físicas, de los seres vivos y de la conciencia. Por este motivo la gravedad cuántica pudiera aportar alguna luz acerca del despertar cósmico de la actividad física y la emergencia de los seres vivos que la sienten y toman conciencia de su naturaleza.
Derivaciones metafísicas del lenguaje físico
El lenguaje de la física es un modo de hablar acerca de lo fenoménico. Como hemos explicado en este trabajo, parte del lenguaje de la física se ha especializado en dotar de andamiajes matemáticos a los fenómenos físicos como explicación última de su realidad. La versión más matemática de los lenguajes de la física se reduce a diseñar estructuras matemáticas que fundamenten las observaciones. Pero la física no se agota con la teoría matemática. El concepto de teoría en el lenguaje de la física es mucho más preciso que lo que comúnmente entendemos por teoría, como algo que podría funcionar. Los físicos desean construir teorías físicas que, de acuerdo con los resultados experimentales, permitan dar cuenta de la realidad.
A nivel fundamental el lenguaje de la física ofrece una comprensión profunda de la realidad que exige una reflexión metafísica. No es posible ofrecer una visión física de la realidad que se contenga a sí misma. Sin tiempo no hay actividad física que observar y la creación no es posible en la física. Las raíces del lenguaje físico dejan entrever un sustrato metafísico necesario para comprender el marco físico de la realidad. En este artículo hemos expuesto siete consecuencias metafísicas que se desprenden de la reflexión conceptual de las teorías físicas.
De acuerdo con las modernas teorías de la física la realidad no admite un determinismo ontológico donde todo está preestablecido desde el inicio del universo. Más bien se ofrece la imagen de una realidad que es fundamentalmente abierta capaz de hacer emerger un orden clásico concreto de un fondo dinámico de actividad indeterminada. En consecuencia con este incesante dinamismo no es posible asumir el estricto continuismo de las leyes causa-efecto propias de la mecánica clásica. Sin trayectorias clásicas se hace necesario suponer que el universo físico es últimamente emergente, es decir, un orden emanado de una realidad capaz de producirlo globalmente. La pérdida de causalidad física en el fondo permite el origen espontáneo del universo físico en una ontología que es naturalmente abierta. Las propiedades físicas emergen de un fondo de realidad que permite la variabilidad ontológica hasta el punto de que al llegar a ser lo que son no se pueden entender sin recurrir a nuevos niveles de realidad. La emergencia de estos niveles produce un orden de la realidad con propiedades físicas surgidas del despliegue ontológico.
En una realidad metafísica sin espacio ni tiempo sería razonable suponer la existencia de conexiones espontáneas y holistas en su fondo ontológico. Lo sorprendente es que esta conectividad no-local se ha manifestado también en el orden físico bajo condiciones de amparo suficientes. La presencia de acciones a distancia cuasi-instantáneas invita a reflexionar sobre una ontología múltiplemente conectada que puede proceder más allá del esquema conexionista de la causa y el efecto. En el fondo la realidad es pura conectividad. La relación de fondo consigo misma conforma una ontología sin un absoluto que sea el origen de todo. La realidad carece de un absoluto básico. Lo primordial es su capacidad para producir todo porque toda ella es relación de todo. En este sentido esta ontología de la realidad enlaza muy bien con las consecuencias físicas de la moderna teoría de la información. La ontología produce el mundo físico porque es información capaz de modelarse.
Hemos visto que la elaboración de teorías físicas moderna exige explicar lo observado dejando al margen observadores absolutos. Pero la realidad es que es imposible conocer completamente el mundo físico sin la observación. En consecuencia toda descripción física es siempre relativa a un observador. Y, por tanto, buscar un fundamento ajeno al observador es una tarea distinta de los cometidos de las ciencias físicas. Por ello, la física actual parece dejar a un lado las cuestiones metafísicas que exigen un compromiso interpretativo de la realidad. En el mejor de los casos se abusa de lenguaje físico-matemático que valide los fundamentos de la realidad física.
En realidad, como vemos, muchas cuestiones que se inician desde el lenguaje de la física terminan derivando en cuestiones filosóficas que muchos físicos abandonan por ser meramente metafísicas. Ante esta derivación hacia lo metafísico y la resistencia de muchos físicos por lo metafísico, conviene subrayar que la física tiene una dimensión intuitiva irreducible al lenguaje matemático. La intuición metafísica y su planteamiento físico han sido los motores de los grandes descubrimientos y teorías en la historia de la ciencia. En la segunda mitad del XX, la física se ha dejado atrapar por la belleza del formalismo matemático hasta llegar a reducir la realidad a información intangible. Sin duda la riqueza de la naturaleza física es superior, tal y como se ha demostrado repetidamente en su inigualable historia.
La sola aproximación a la ontología física que soporta la realidad experimental nos proyecta hacia nuevos interrogantes que trascienden lo puramente físico. No necesariamente hablamos de proyecciones sobre lo filosófico o temas profundos de la filosofía de la naturaleza como el origen del tiempo físico en una realidad eterna metafísica. La simple emergencia de órdenes de complejidad en la realidad física nos mueve hacia otras fronteras de la ciencia donde el concepto de orden es aún más trascendente. El emergentismo es todavía hoy una corriente más filosófica que científica. No por ello se ha quedar reducido al margen del quehacer propio de la ciencia. La ciencia puede servirse de las intuiciones metafísicas que, desde el emergentismo, se proyectan hacia distintos ámbitos de realidad (físico, biofísico y psicobiofísico) que demandan una comprensión de fenómenos emergentes (la reducción cuántico-clásica, el orden complejo, la conciencia…) carentes aún de una explicación científica.
La física que gobierna unas pocas partículas es muy diferente del comportamiento colectivo de los sistemas múltiples debido a la emergencia de correlaciones entre constituyentes. El modelo estándar de la física de altas energías no puede reproducir los movimientos holísticos de las partículas. A bajas energías emerge todo un mundo de fonones independiente de las interacciones atómicas. Junto a los fonones emergen nuevas leyes físicas de interacciones dipolares que forman bloques de materia muy diferentes de las partículas de altas energías. Existen nuevos órdenes emergentes de la materia inabordables desde las teorías físicas reduccionistas. Surge un nuevo orden topológico que determina la realidad física. El orden topológico es aún metafísico, pero su rápido desarrollo matemático y aplicación en la física de la materia condensada pueden proporcionar claves para una nueva ontología física más unitaria y global.
Supuesta esta ontología física emergente, resulta natural explicar el origen y evolución del universo como un producto de este substrato metafísico que se hace explícito a través de procesos cuánticos consolidados en el régimen clásico de la experiencia. Las estructuras físicas, los seres vivos, el psiquismo animal y la conciencia son productos que últimamente emergen de esta ontología dinámica. La incesante actividad de esta realidad subyacente dinamiza todo el proceso evolutivo del cosmos, generando estructuras clásicas más complejas y estables, capaces de resonar las propiedades cuánticas de su naturaleza material, tal y como los fenómenos cuánticos macroscópicos mantienen sus propiedades cuánticas a nivel de experimentación.
Análogamente, las propiedades psíquicas de los animales superiores o la formación de sofisticados estados conscientes en el hombre son productos resultantes de la evolución cósmica de estructuras materiales. Las estructuras psíquicas son resonadores más finos capaces de explicitar las propiedades psíquicas de la ontología material. No sólo canalizan la actividad física de la materia, como durante miles de millones de años hizo el universo físico, sino que activan la dimensión psíquica de la materia. En este sentido, la actual neurología propone una coordinación entre las regiones del cerebro más primitivo y del moderno neocórtex, más susceptible al comportamiento psíquico.
Conclusión
Se ha dicho frecuentemente que el siglo XXI es el tiempo de la biología. A mi modo de ver, sin duda es el tiempo de la biología en su dimensión más física e interdisciplinar. El estudio de la formación de nuevos órdenes en la materia para la vida es una de las tareas más apasionantes para los biofísicos que se preocupen de las cuestiones científicas fundamentales como el origen físico de la vida. Coincido plenamente con el premio Nobel de física Murray Gell-Mann cuando afirma: Se hace cada vez más necesario complementar la especialización con la integración. Dedicarse a poner en claro lo que otros han hecho, o a extraer lo que vale la pena de entre lo accesorio, es una dedicación que ofrece menos facilidades para hacer carrera, pero sería mejor para la humanidad [7].
Este siglo ya ha dado importantes frutos en técnicas de neuroimagen y estudio del cerebro como un todo orgánico. Ahora bien, aún sigue siendo un enigma cómo se produce científicamente la emergencia de la conciencia. No hay un patrón definido por las neurociencias que clarifique la explicación científica de este fenómeno. Sin embargo, el carácter enigmático y escurridizo de la conciencia hace pensar que la conciencia sea un fenómeno holístico cuyas propiedades se asemejan a las propiedades de la física cuántica.
Es muy razonable pensar que esta hipótesis sea muy arriesgada. De hecho, lo es. No hay experimentos que permitan comprobarla, ni tampoco ha sido refutada. Sus partidarios tan solo cuentan con pequeños indicios de una incipiente biología cuántica en el nivel más primario de la vida. Parece ser que la transformación de la energía solar en energía química en los vegetales en el proceso de fotosíntesis es tan eficiente porque se trata de un proceso cuántico. Este fenómeno de adaptación cuántica a la luz solar puede abrir nuevas líneas de investigación que apunten hacia una cosmovisión holística de la naturaleza (física, biológica y neurológica) basada tanto en la interpretación metafísica de los campos cuánticos de la física como en el nuevo lenguaje físico de la comunicación en términos de entrelazamiento.
Concluyo estos artículos advirtiendo el nacimiento de un nuevo lenguaje interdisciplinar nacido de la convergencia entre los fenómenos neurológicos de la conciencia y las propiedades cuánticas de la física. La denominada neurología cuántica podría llegar a convertirse en una enriquecedora fuente de nuevas terminologías científicas que apoyaran la idea metafísica de una totalidad campal. En su apoyo la teoría cuántica de la información, una de las disciplinas físicas más fructíferas en la actualidad, está construyendo un lenguaje físico de la información desde las ideas cuánticas de teleportación y acoplamiento entrelazado de los estados físicos, que podría ser adaptado e implementado para describir físicamente el procesado físico de la información sensorial en el cerebro de un ser vivo. Al igual que el universo físico se diseña a sí mismo, el cerebro puede también modelarse a sí mismo.
Artículo elaborado por Manuel Béjar, licenciado en Ciencias Físicas y Doctor en Filosofía, Cátedra CTR, Universidad de Comillas
