La decoherencia cuántica y la inexistencia de la primera cuantización (modernicemos conocimientos)

Hans Dieter Zeh, uno de los padres del concepto de decoherencia cuántica en 1970 publicó en 2003 un artículo titulado “No existe la primera cuantización (“There is no “first” quantization,” Physics Letters A http://dx.doi.org/10.1016/S0375-9601(03)00209-3) Zeh argumenta que sólo existen los campos cuánticos y que la llamada “primera” cuantización es una simple consecuencia de la decoherencia. La realidad está hecha de campos cuánticos y la cuantización correcta es lo que impropiamente se llama “segunda” cuantización.

El principio de correspondencia de Niels Bohr ha sido clave en la historia temprana de la mecánica cuántica, pero es engañoso porque hace pensar que todo sistema cuántico resulta de la cuantización de un sistema clásico. Hay conceptos cuánticos que no tienen análogo clásico y además el límite clásico de un sistema físico cuántico no se puede obtener, salvo en ejemplos triviales de libro de texto, aplicando el límite cuando la constante de Planck tiende a cero.
El concepto fundamental para entender la transición entre un sistema cuántico y un sistema clásico, entre un sistema microscópico y una macroscópico, es el concepto de decoherencia. Introducido por Hans Dieter Zeh en 1970, se popularizó entre los expertos a principios de los 1980 gracias al trabajo de Wojciech Zurek en 1981 y 1982 (“Pointer basis of quantum apparatus: Into what mixture does the wave packet collapse?,” Phys. Rev. D 24: 1516–1525, 1981; “Environment-induced superselection rules,” Phys. Rev. D 26: 1862–1880, 1982) y entre los profanos gracias a un artículo de Zurek en Physics Today en 1991 titulado “Decoherencia y la transición de lo cuántico a lo clásico” (“Decoherence and the Transition from Quantum to Classical,” Physics Today 44(10): 36-44, 1991)
La idea original de Zeh se basaba en la interpretación de Hugh Everett III de los muchos mundos, por ello tuvo pocos adeptos hasta que Zurek retomó la idea sin mencionar a Everett e introdujo el concepto de decoherencia inducida por el entorno. Para que la idea fuera aceptada por la mayoría influyó mucho el apoyo de John Wheeler, bajo cuya dirección Zurek realizó un postdoctorado entre 1979 y 1981. Hoy en día, la idea de decoherencia cuántica forma parte de la ortodoxia de la mecánica cuántica.
Los modelos de decoherencia permiten explicar la ausencia de superposiciones cuánticas en los estados macroscópicos de la materia, sin necesidad de la intervención de un observador (evitando todo tipo de paradojas asociadas a que el observador debe ser consciente del resultado de la medida). La decoherencia es resultado del entrelazamiento de todos los sistemas físicos con el entorno. En cada observación de un sistema hay tres subsistemas implicados: el objeto a medir, el aparato de medida y el entorno. Según los modelos de decoherencia el entrelazamiento estos tres subsistemas y, en concreto, la interacción entre el objeto a medir y el entorno, diluye la superposición de estados cuánticos: “el gato de Schrödinger o está vivo o está muerto, porque al ser un objeto macroscópico su interacción con el entorno es muy fuerte”.
Los trabajos de Serge Haroche y David J. Wineland, galardonados con el premio Nobel de Física 2012, sentaron las bases para la observación experimental de la decoherencia cuántica. Sin embargo, la decoherencia cuántica aún guarda muchos secretos para los físicos y todavía no podemos afirmar que se entienda en detalle la frontera que existe entre el mundo cuántico y el mundo clásico. Aún así, la mayoría de los expertos cree que el problema es la ausencia de herramientas matemáticas suficientemente poderosas y que conceptualmente el proceso está bien descrito gracias a la decoherencia.
Haroche es principalmente conocido por demostrar la decoherencia cuántica mediante la observación experimental, trabajando con colegas en la École Normale Supérieure, en París en 1996.