By: Amanda Gefter
Chiara Marletto está tratando de construir una teoría maestra, un conjunto de ideas tan fundamentales que todas las demás teorías surgirían de ella. Su primer paso: invocar lo imposible.
icen que en el arte, las limitaciones conducen a la creatividad. Lo mismo parece ser cierto para el universo. Al poner límites a la naturaleza, las leyes de la física eliminan las creaciones más fantásticas de la realidad. Limite la velocidad de la luz y, de repente, el espacio puede encogerse, el tiempo puede ralentizarse. Limite la capacidad de dividir la energía en unidades infinitamente pequeñas, y florecerá toda la rareza de la mecánica cuántica. “Declarar algo imposible lleva a que más cosas sean posibles”, escribe la física Chiara Marletto . “Por extraño que parezca, es un lugar común en la física cuántica”.
Marletto creció en Turín, en el norte de Italia, y estudió ingeniería física y física teórica antes de completar su doctorado en la Universidad de Oxford, donde se interesó por la información cuántica y la biología teórica. Pero su vida cambió cuando asistió a una charla de David Deutsch, otro físico de Oxford y pionero en el campo de la computación cuántica. Se trataba de lo que, según él, era una teoría radicalmente nueva de las explicaciones. Se llamaba teoría del constructor y, según Deutsch, serviría como una especie de metateoría más fundamental incluso que nuestra física más fundamental: más profunda que la relatividad general, más sutil que la mecánica cuántica. Llamarlo ambicioso sería quedarse corto.
Marletto, entonces de 22 años, estaba enganchado. En 2011, unió fuerzas con Deutsch, y juntos han pasado la última década transformando la teoría de los constructores en un programa de investigación completo.
El objetivo de la teoría del constructor es reescribir las leyes de la física en términos de principios generales que toman la forma de contrafácticos, es decir, declaraciones sobre lo que es posible y lo que es imposible. Es el enfoque que llevó a Albert Einstein a sus teorías de la relatividad. Él también comenzó con principios contrafácticos: es imposible exceder la velocidad de la luz; es imposible diferenciar entre gravedad y aceleración.
La teoría del constructor apunta a más. Espera proporcionar los principios detrás de una amplia clase de teorías de la física, incluidas las que aún no tenemos, como la teoría de la gravedad cuántica que uniría la mecánica cuántica con la relatividad general. La teoría del constructor busca, es decir, proporcionar la madre de todas las teorías: una completa “La ciencia de lo que se puede y no se puede ”, el título del nuevo libro de Marletto.
Queda por ver si la teoría del constructor realmente puede ofrecer resultados y cuánto se diferencia realmente de la física habitual. Por ahora, Quanta Magazine se puso al día con Marletto a través de Zoom y por correo electrónico para averiguar cómo funciona la teoría y qué podría significar para nuestra comprensión del universo, la tecnología e incluso la vida misma. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.
En el corazón de la teoría de los constructores está la sensación de que falta algo en nuestro enfoque habitual de la física.
Las leyes estándar de la física, como la teoría cuántica, la relatividad general e incluso las leyes de Newton, se formulan en términos de trayectorias de objetos y lo que les sucede dadas algunas condiciones iniciales. Pero hay algunos fenómenos en la naturaleza que no se pueden capturar en términos de trayectorias, fenómenos como la física de la vida o la física de la información. Para capturarlos, necesita contrafactuales.
¿Cuáles son?
La palabra “contrafáctico” se usa de varias maneras, pero me refiero a algo específico: un contrafáctico es una declaración sobre qué transformaciones son posibles y cuáles son imposibles en un sistema físico. Una transformación es posible cuando tienes un “constructor” que puede realizar una tarea y luego retener la capacidad para realizarla nuevamente. En biología, lo llamamos catalizador, pero de manera más general podemos llamarlo constructor.
En el enfoque actual de la física, algunas leyes ya tienen esta estructura contrafactual: la conservación de la energía, por ejemplo, es la afirmación de que es imposible tener una máquina de movimiento perpetuo.
Entonces, ¿el constructor es la máquina de movimiento perpetuo y el contrafactual afirma que esta transformación de energía utilizable en energía utilizable no es posible?
Si. Los contrafactuales aparecen en las leyes existentes, pero estas leyes se consideran de segunda clase. No se incorporan de todo corazón. La teoría de constructores coloca a los contrafácticos en la base misma de la física, de modo que las leyes más fundamentales puedan formularse en estos términos.
¿Cómo funcionaría esto en la práctica?
Por ejemplo, considere la gravedad cuántica. Algunas personas dicen: “¿Por qué necesitamos cuantificar la gravedad dado que ni siquiera tenemos evidencia experimental de ella? Podríamos tener una teoría clásica de la gravedad y una teoría cuántica de todo lo demás “. Bueno, la teoría del constructor nos proporciona una base teórica sólida y general para una prueba experimental que probaría que la gravedad debe ser cuántica.
Esta prueba fue propuesta por Vlatko Vedral y yo, e independientemente por Sougato Bose y colaboradores. Dice así: Mides las propiedades de dos masas cuánticas que interactúan entre sí solo a través de la gravedad. Si desarrollan un enredo, entonces puede concluir algo muy fuerte sobre el mediador que causa el enredo, que es la gravedad. Le permite concluir que el mediador no puede ser clásico, debe tener algunas características cuánticas.
Ahora, como Vlatko y yo probamos, la forma más general de llegar a esta conclusión es usar un principio teórico del constructor llamado “interoperabilidad”, que implica que si el entrelazamiento se puede generar localmente a través de un medio, ese medio tiene que ser cuántico. No importa de qué manera la gravedad es cuántica, ya sea la gravedad cuántica de bucle o la teoría de cuerdas o algo más, pero tiene que ser una teoría cuántica. Es una prueba que se puede diseñar en este nivel de generalidad solo si se piensa en términos de principios teóricos del constructor.
Los contrafactuales parecen jugar un papel mucho más importante o más restrictivo en la teoría cuántica que en la teoría clásica. Se podría argumentar que esa es la lección de la teoría cuántica: que no podemos simplemente decir “esto es lo que realmente está sucediendo en el mundo” de una manera definida e inequívoca. ¿Es esto lo que exige una formulación diferente de las leyes físicas?
Hay muchos contrafactuales en la teoría cuántica, ¡pero eso también es cierto en la física clásica! La información cuántica y clásica son dos aspectos del mismo conjunto de propiedades teóricas de la información. Lo que hace diferente a la información cuántica es que tiene dos propiedades contrafácticas adicionales.
Primero, tiene al menos dos variables de información, por ejemplo, posición y velocidad, para las cuales es imposible copiar ambas simultáneamente con una precisión arbitrariamente alta. En segundo lugar, debe ser posible revertir cualquier transformación de esas variables.
Entonces, la teoría cuántica tiene más contrafácticos, pero aún necesita contrafácticos para expresar completamente la teoría de la información clásica e incluso la termodinámica clásica. Conceptos como trabajo y calor no se pueden capturar completamente con trayectorias y leyes de movimiento, porque en la concepción estándar se consideran emergentes y aproximados. En la teoría de constructores podemos hablar de ellos utilizando enunciados exactos sobre transformaciones posibles e imposibles.
Bien, entonces una transformación es posible si existe un constructor capaz de promulgar esa transformación. ¿Tienes que dar una prueba de que es posible construir cada constructor? ¿Te encuentras con una regresión infinita?
Creo que tienes que darle la vuelta. Toma termodinámica. Cuando dices que una máquina de movimiento perpetuo es imposible, esa afirmación no es algo que tengas que probar exhaustivamente comprobando todos los modelos posibles de una máquina de movimiento perpetuo, usando diferentes condiciones iniciales y diferentes dinámicas para cada una. Si tuvieras que hacer eso, ¡sería una tarea muy agotadora!
Lo que hace es establecer la ley en términos de tareas posibles e imposibles, y luego calcular las consecuencias. Por ejemplo, si tiene esta afirmación general de que las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles, puede combinarla con otras afirmaciones acerca de que otras tareas son posibles o no y averiguar que una máquina térmica es posible. Y eso le da mucho poder predictivo. Esa es la lógica. Tomas estas declaraciones como fundamentales.
David Deutsch definió la teoría del constructor como la teoría de qué transformaciones pueden o no pueden ser causadas y por qué. Todavía estoy luchando por comprender cómo la teoría del constructor proporciona el “por qué”.
Primero, déjeme aclarar que ya sea que esté usando la teoría del constructor o usando el enfoque actual, solo estamos tratando con algunas conjeturas sobre cuáles son las leyes reales. Y estas suposiciones siempre pueden estar equivocadas. Pero si compra la teoría del constructor, la clave es que solo conjeturar leyes dinámicas será insuficiente para capturar toda la realidad física. Necesita principios adicionales, dados por la teoría del constructor.
Entonces creo que David está enfatizando que la teoría del constructor no es solo una lista de cosas que son posibles y cosas que son imposibles. Es la teoría explicativa de por qué un cierto patrón de tareas posibles e imposibles captura mejor lo que sabemos en este momento sobre la realidad física. Entonces, si quiere cuestionar esa teoría explicativa, puede hacerlo. Pero la conjetura es que cualquier explicación que se le ocurra para mejorar eso, tendría que expresarse en términos de tareas posibles e imposibles.
¿Habría algún conjunto primitivo de tareas en la parte inferior? Por ejemplo, en computación, a partir de unas pocas operaciones lógicas básicas, se pueden construir todas las demás operaciones lógicas. ¿Te imaginas que hay algunos constructores básicos a partir de los cuales se pueden crear todos los demás constructores?
En resumen, sí, aunque esto es algo que todavía no hemos desarrollado realmente. John von Neumann, el gran físico y matemático, conjeturó una máquina que se suponía que era más general que la computadora universal de Turing. Von Neumann lo llamó un constructor universal. Se dio cuenta de que si piensas en algunas tareas que, por ejemplo, los sistemas vivos pueden realizar, como crear copias de sí mismos, una máquina universal de Turing no puede hacer eso. Mi Mac no puede crear otra Mac a partir de materias primas aburridas, ¡aunque desearía que pudiera hacerlo!
Entonces von Neumann preguntó: ¿Qué tengo que agregar a una máquina de Turing para que se convierta en una máquina más poderosa que pueda construirse sola? Resulta que hay que agregar una serie de cosas: un conjunto de implementos que permiten a la máquina tomar las materias primas y ensamblarlas, la capacidad de leer las instrucciones de ensamblaje, etcétera.
El constructor universal es un análogo de la máquina de Turing en el sentido de que se supone que puede realizar todas las tareas permitidas físicamente. Y no sabemos si uno es posible bajo las leyes de la física que tenemos. Y la razón por la que no lo sabemos, incluso 70 años después de que von Neumann sugirió esto por primera vez, es que nadie tomó la propuesta original y la relacionó con la física.
Una vez que la teoría del constructor pueda definir el constructor universal en términos físicos y comprender los principios que le permiten decir que el constructor universal es posible, entonces tendremos una respuesta a su pregunta: sabremos cuáles son las puertas elementales o las posibles tareas elementales. a los que el constructor universal puede apelar cuando intenta realizar una tarea complicada.
Por lo general, pensamos que se comienza con la física fundamental y luego se desarrolla la tecnología como una aplicación de esas ideas. Esto casi parece ir al revés: comienzas con la posibilidad de una tecnología y eso te lleva a la física fundamental.
Pienso que es realmente genial. Al estudiar las propiedades de algo que suena muy tecnológico, como una computadora o un constructor, terminas estudiando las características más profundas de las leyes de la física. Es algo que me fascinó cuando comencé a estudiar información cuántica.
Inicialmente pensé que la información cuántica es solo una aplicación peculiar de la física cuántica a la informática, pero no es cierto. Es la mejor herramienta que tenemos para comprender la propia teoría cuántica. Medición, EPR , entrelazamiento: todas estas cosas que eran muy desconcertantes incluso para los padres fundadores de la teoría cuántica han sido resueltas correctamente por personas que trabajan con información cuántica y, al mismo tiempo, estaban trabajando en cómo construir una computadora cuántica universal. .
Es genial que puedas hacer algo que es muy útil en tecnología, como la criptografía, pero al mismo tiempo estás estudiando los fundamentos del entrelazamiento y las superposiciones, etc. En la teoría de constructores, estamos tratando de seguir el mismo tipo de lógica a un nivel aún más general.
Entonces, la tecnología que podría surgir de la teoría del constructor sería algo así como una impresora 3D para todo uso, capaz de construir cualquier objeto físico, incluida una copia de sí mismo. Eso es un constructor universal.
Si.
¿Un constructor universal sería también una computadora cuántica universal? ¿O simplemente tendría que poder imprimir en 3D computadoras cuánticas universales?
Es más fructífero pensar en términos de repertorios de una máquina programable dada, donde el repertorio es el conjunto de tareas o transformaciones que la máquina puede realizar cuando se le da el programa de entrada apropiado. En ese sentido, ser una computadora cuántica o ser capaz de construir una computadora cuántica con suficientes materiales es esencialmente lo mismo, porque una vez que una máquina puede construir otra máquina, la primera máquina tiene el repertorio de la segunda en su propio repertorio. El constructor universal tiene todos los cálculos permitidos físicamente en su propio repertorio, lo que significa que también es una computadora universal.
¿Y el constructor universal podría incluso generar sistemas vivos?
Si. La física de la vida se consideraría una subparte de esta teoría más general del constructor universal. Y podría imaginar cómo una mejor comprensión de los fundamentos teóricos del constructor de las leyes de la física podría brindarle formas de programar el constructor universal para realizar tareas que son relevantes para ese campo.
Entonces, por ejemplo, para la biología cuántica, podría pensar que el constructor universal está programado para imitar lo que sucede en una célula vegetal cuando ocurre la fotosíntesis y luego pensar en formas de mejorar eso. Puede imaginar todo tipo de nanomáquinas programables que son instancias específicas del constructor universal programadas para tareas específicas. Y subyacente a todos ellos debería estar este conjunto de principios que descubriremos al estudiar la teoría de constructores. Esa es la visión.
Entonces, un constructor universal podría construir un sistema vivo, pero ¿un sistema vivo en sí mismo es una especie de constructor de propósito especial?
El ADN es un replicador y contiene las instrucciones para construir la célula, y luego la célula es el vehículo que es capaz de leer esas instrucciones, construir una nueva instancia de sí mismo, copiar las instrucciones e insertarlas en la nueva célula. Y en la teoría del constructor, puede explicar por qué este es el único mecanismo viable posible si desea una autorreproducción confiable, según las leyes de la física que no están especialmente diseñadas para la vida. Entonces, no es solo que es una de las formas en que la vida puede funcionar según nuestras leyes de la física, sino que es la única forma en que puede funcionar. Esa es una característica de los sistemas vivos independientemente de si están construidos con la química que tenemos en la Tierra.
En última instancia, lo que necesitamos es una teoría de lo que distingue la vida de la no vida, y hasta ahora no hay una respuesta cuantitativa ni predictiva. ¿Cuáles son las leyes que subyacen a este fenómeno? Lo que falta no es la biología: los biólogos ya han hecho su trabajo; lo han resuelto maravillosamente con la teoría de la evolución. Ahora los físicos necesitan resolver el problema dentro de los límites de la física fundamental. Y espero que la teoría del constructor pueda proporcionar las herramientas para abordar ese problema.
