La relatividad, la teoría cuántica y la información

Celebramos en el 2005 el Año Internacional de la Física, y un factor determinante en tal celebración es el centenario de tres trascendentales artículos científicos publicados por Einstein en 1905.

La obra de Einstein propició al menos cuatro revoluciones en las ciencias físicas, y sus trabajos a veces respondían preguntas que él se había formulado desde su niñez. Cuando tenía unos 15 años, a menudo se preguntaba que ocurriría si un hombre tratara de atrapar un rayo luminoso.

El joven Einstein establecía quizás un paralelismo con otra pregunta más fácil de responder: ¿Qué ocurriría si un hombre pretendiese atrapar una bala disparada por un fusil?. La respuesta a esta pregunta sería: para hacerlo, tendría que viajar en un vehículo que se moviese a la misma velocidad del proyectil. Bastaría entonces estirar la mano y encerrar en ella al proyectil, que continuaría su movimiento sin alterarse.

Sin embargo, para el rayo de luz (que se mueve a una velocidad c=299792 kilómetros por segundo aproximadamente), la respuesta la obtuvo Einstein 10 años después, en 1905 y fue negativa: el hombre nunca podría alcanzar tal velocidad y por muy rápido que se mueva, digamos 150 mil kilómetros por segundo, la luz siempre se movería con respecto a él a la misma velocidad.

Einstein estableció dos principios básicos, el primero de los cuales afirma que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores. Ello trae como implicación inmediata que el tiempo es relativo, y que tiempo y espacio forman una unidad indisoluble, el Espacio-Tiempo.

Las ecuaciones básicas de la física del electromagnetismo, por ejemplo, describen los fenómenos de una manera simple en un espacio de cuatro dimensiones, donde la cuarta dimensión es el tiempo. La simultaneidad es relativa: dos sucesos simultáneos para mí, pueden ser no simultáneos para otro observador.

La Teoría Especial de la Relatividad le atribuye implícitamente un papel importante a un ente que llamamos observador, que obtiene información acerca de su entorno. El concepto tiene muchas acepciones. En forma cuantitativa, una medida de la información contenida en un mensaje fue introducido en la ciencia por Shannon en 1948 en su Teoría sobre la Comunicación.

En la Teoría de la Relatividad, el papel del mencionado observador es esencial. Por ejemplo, en relación con la relatividad del tiempo existe una diferencia entre la información que recibe un observador en reposo con respecto a otro en movimiento relativo.

Por otra parte, al establecer un límite para la velocidad de la luz resulta un límite a la velocidad de transmisión de un mensaje, es decir, a la velocidad de transmisión de la información. De otro modo, podríamos transmitir información del futuro al pasado.

La física admite que esto no es posible, pero admite un 'principio de causalidad' que permite establecer un ordenamiento causal (de causa y efecto) en el tiempo a cualquier sucesión de eventos. Pero Einstein hizo un aporte fundamental a otro de los pilares básicos de la física contemporánea: la Teoría Cuántica, al plantear en su explicación del efecto fotoeléctrico el carácter dual de la luz, como onda o como corpúsculo, dando un paso más radical del que había dado Planck en 1900, quien en su teoría de la radiación del cuerpo negro propuso que la luz se emite y se absorbe de forma discontínua.

Actualmente, a todo sistema cuántico se le asocia una función de onda o ente matemático que contiene toda la información sobre el sistema descrito. Es decir, lo que describe al electrón en el átomo no es exactamente un 'campo' físico, pero refleja todo un conjunto de propiedades físicas, incluyendo la dualidad onda-corpúsculo.

El carácter ondulatorio es observable en determinadas observaciones o mediciones. Los átomos, electrones, fotones y otras partículas del mundo sub-atómico, se comportan en forma dual, como ondas o como partículas. Todo depende de como se observen. Esta dualidad es nueva en la esfera del conocimiento científico.Por otra parte, nuestra información acerca del estado dinámico de una partícula es incompleto: si escojo una dirección determinada no puedo conocer a la vez cuál es su posición (en esa coordenada) y hacia donde se mueve.

Este es el llamado Principio de Indeterminación, o Incertidumbre, de Heisenberg. Pero la Teoría Cuántica va aún más allá al ampliar el concepto de realidad, y concebir procesos que aunque no son observables, forman parte de la realidad, con efectos físicos medibles, como son los llamados procesos virtuales.

La información en la Teoría Cuántica tiene un carácter más profundo. La 'función de onda' contiene toda la información sobre un sistema dado. Pero comparada con la descripción clásica, esta información es incompleta, y el Principio de Heisenberg establece un límite cuando se trata de las llamadas 'variables conjugadas': la información sobre la posición que se gana en una medición es igual y de signo contrario a la información del momentum en dicha dirección!. Es decir, la información que gano en la posición la pierdo en el momentum y vice-versa.

Una consecuencia cuántica importante es que las partículas idénticas son indistinguibles: no es posible distinguir un electrón, protón, etc. de otros, dentro de un conjunto de estas partículas.Esta propiedad, esencialmente informacional, da lugar a los llamados efectos de intercambio. Por ejemplo, el ferromagnetismo (que se observa en los imanes naturales) es un fenómeno físico que se describe a partir de una energía debida a un efecto de intercambio entre dos electrones. El enlace covalente en la química, se expresa como un efecto de intercambio también.