Nuevo estudio científico se suma a la idea -cada vez más propuesta- de que el universo se ha ajustado para que estemos en él

angel25 dijo:

Vosotros os adaptarías a una hormiga que está en la mitad de África para que ella exista o pueda vivir?

Hacer clic para expandir...

Típico del ser humano, compararse nada menos que con el universo entero

Un poquito más de humildad, miarma, que somos monos apenas evolucionados.

¿Podría ser el Universo un ordenador cuántico gigante?

David L. Chandler


Las reglas computacionales podrían describir la evolución del cosmos mejor que las ecuaciones dinámicas de la física, pero sólo si se les da un giro cuántico.

La fin del físico e informático estadounidense Edward Fredkin el pasado mes de junio pasó desapercibida, salvo por una tardía necrológica en el New York Times. A pesar de que nunca llegó a ser tan conocido como algunos de sus contemporáneos, Fredkin ejerció una enorme influencia en las dos disciplinas a las que se dedicaba.

Muchos todavía se resisten a su argumento central: que las leyes de la física, y de hecho las del propio Universo, son esencialmente el resultado de un algoritmo informático. Pero la "física digital" que defendió Fredkin ha pasado de ser algo fuera de lugar a convertirse en algo casi generalizado. "En aquella época se consideraba una idea completamente descabellada que la ciencia computacional pudiera enseñar algo sobre física", afirma Norman Margolus, informático canadiense que colaboró durante mucho tiempo con Fredkin y fue su único estudiante de doctorado en física. "El mundo ha evolucionado desde entonces, ahora todo es muy respetable".

Tras abandonar el Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, Fredkin se alistó en las Fuerzas Aéreas de EE.UU. en 1953, donde se convirtió en piloto de caza y, finalmente, en instructor del cuerpo de élite de pilotos de reactores de formación cerrada. Las Fuerzas Aéreas le orientaron hacia la informática, enviándole al Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Lexington en 1956, para trabajar en el uso de ordenadores para procesar información de radar para guiar a los pilotos. Tras dejar el Ejército del Aire en 1958, Fredkin se incorporó a la empresa pionera en informática Bolt Beranek & Newman, con sede en Cambridge (Massachusetts) -actualmente parte de Raytheon-, donde, entre otros proyectos, escribió uno de los primeros lenguajes de ensamblador y participó en investigaciones sobre inteligencia artificial (IA). Tras fundar su propia empresa, Information International, especializada en hardware y software de tratamiento de imágenes, regresó al MIT en 1968 como profesor titular, a pesar de no tener ni siquiera un título universitario.

Fredkin acabó dirigiendo el Proyecto MAC, un instituto de investigación que evolucionó hasta convertirse en el Laboratorio de Ciencias Informáticas del MIT. El puesto era sólo uno de una amplia cartera. "Hizo muchas cosas en el mundo real", dice Margolus, ahora investigador independiente afiliado al MIT. Entre ellas, dirigir su empresa, diseñar un sistema de ósmosis inversa para una empresa de desalinización y dirigir New England Television, la filial de ABC en Boston (Massachusetts). Según Margolus, Fredkin estaba limitado por contrato a un día a la semana de actividades externas, por lo que a veces no se le veía durante semanas.

Visión de futuro.

A finales de la década de 1960, la IA era todavía un concepto teórico, pero Fredkin fue uno de los primeros en comprender los retos políticos que planteaban las máquinas capaces de aprender y tomar decisiones autónomas, incluso para la seguridad nacional. Defendió la colaboración internacional en la investigación de la IA, reconociendo que un consenso temprano sobre cómo debía utilizarse la tecnología evitaría problemas en el futuro. Sin embargo, los intentos de convocar una reunión internacional de los mejores pensadores del campo nunca llegaron a materializarse, un fracaso que resuena hasta nuestros días.

En 1974, Fredkin abandonó el MIT y pasó un año como académico distinguido en Caltech, donde entabló amistad con los físicos Richard Feynman y Stephen Hawking. A continuación, aceptó un puesto de profesor titular en la Universidad Carnegie Mellon de Pittsburgh (Pensilvania) y, más tarde, un segundo puesto en la Universidad de Boston. Fue a partir de entonces cuando empezó a trabajar en computación reversible.

En aquella época, la computación reversible se consideraba imposible. Un ordenador digital convencional se construye a partir de una serie de puertas lógicas (AND, OR, XOR, etc.) en las que, por lo general, dos entradas se convierten en una salida. La información de entrada se borra, produciendo calor, y el proceso no puede invertirse. Junto con Margolus y un joven ingeniero eléctrico italiano, Tommaso Toffoli, Fredkin demostró que ciertas compuertas con tres entradas y tres salidas -lo que se conoció como compuertas de Fredkin y Toffoli- podían organizarse de forma que se conservaran todos los pasos intermedios de cualquier cálculo posible, lo que permitía invertir el proceso una vez completado. Como expusieron en un artículo fundamental de 1982, un ordenador construido con esas puertas podría, al menos teóricamente, no producir calor residual y, por tanto, no consumir energía 1.

Al principio no parecía más que una curiosidad. Fredkin pensaba que el concepto podría ayudar al desarrollo de ordenadores más eficientes con menos calor desperdiciado, pero no había forma práctica de realizar la idea plenamente utilizando ordenadores clásicos. En 1981, sin embargo, la historia dio un nuevo giro, cuando Fredkin y Toffoli organizaron el Simposio de Física de la Computación en el MIT. Feynman estaba entre las luminarias presentes. En una intervención que se ha hecho famosa, sugirió que, en lugar de intentar simular fenómenos cuánticos con ordenadores digitales convencionales, algunos sistemas físicos que muestran un comportamiento cuántico podrían ser mejores herramientas.

Se considera que esta charla marcó el comienzo de la era de los ordenadores cuánticos, que aprovechan toda la potencia de la mecánica cuántica para resolver ciertos problemas -como el de la simulación cuántica que Feynman abordaba- mucho más rápido que cualquier ordenador clásico. Cuatro décadas después, ya se están desarrollando pequeños ordenadores cuánticos. La electrónica, los láseres y los sistemas de refrigeración necesarios para hacerlos funcionar consumen mucha energía, pero las propias operaciones lógicas cuánticas son prácticamente sin pérdidas.

Física digital.

La computación reversible "era realmente una condición previa esencial para poder concebir ordenadores cuánticos", afirma Seth Lloyd, ingeniero mecánico del MIT que en 1993 desarrolló lo que se considera el primer concepto realizable de ordenador cuántico 2. Aunque el físico de IBM Charles Bennett también había elaborado modelos de computación reversible, añade Lloyd, fueron las versiones de disipación cero descritas por Fredkin, Toffoli y Margolus las que acabaron convirtiéndose en los modelos sobre los que se construyó la computación cuántica.

En su artículo de 1982, Fredkin y Toffoli habían empezado a desarrollar su trabajo sobre computación reversible en una dirección bastante diferente. Comenzaron con una analogía aparentemente frívola: una mesa de billar. Mostraron cómo los cálculos matemáticos podían representarse mediante interacciones totalmente reversibles entre bolas de billar, suponiendo una mesa sin fricción y bolas que interactúan sin rozamiento.

Esta manifestación física del concepto de reversibilidad surgió de la idea de Toffoli de que los conceptos computacionales podían ser una forma mejor de encapsular la física que las ecuaciones diferenciales utilizadas convencionalmente para describir el movimiento y el cambio. Fredkin fue aún más lejos y llegó a la conclusión de que todo el Universo podía considerarse una especie de ordenador. En su opinión, se trataba de un "autómata celular": una colección de bits computacionales, o células, que pueden cambiar de estado según un conjunto definido de reglas determinadas por los estados de las células que las rodean. Con el tiempo, estas sencillas reglas pueden dar lugar a todas las complejidades del cosmos, incluso a la vida.

No fue el primero en jugar con estas ideas. Konrad Zuse -un ingeniero civil alemán que, antes de la Segunda Guerra Mundial, había desarrollado uno de los primeros ordenadores programables- sugirió en su libro de 1969 "Calculating Space" que el Universo podía verse como un autómata celular digital clásico. Fredkin y sus colaboradores desarrollaron el concepto con gran intensidad y dedicaron años a buscar ejemplos de cómo unas sencillas reglas computacionales podían generar todos los fenómenos asociados a las partículas y fuerzas subatómicas 3.

No todo el mundo quedó impresionado. Margolus cuenta que el célebre físico Philip Morrison, entonces también en la facultad del MIT, dijo a los estudiantes de Fredkin que éste era informático, por lo que pensaba que el mundo era un gran ordenador, pero que si hubiera sido comerciante de quesos, pensaría que el mundo era un gran queso. Cuando el informático británico Stephen Wolfram propuso ideas similares en su libro de 2002 A New Kind of Science, Fredkin reaccionó diciendo: "Wolfram es la primera persona importante que cree en estas cosas. Me he sentido muy solo".

En realidad, sin embargo, Wolfram no era el único que exploraba estas ideas. Mientras que el propio Fredkin utilizó inicialmente la expresión "física digital", y más tarde "filosofía digital", las variaciones modernas sobre el tema han utilizado términos como "pancomputacionalismo" y "digitalismo". Entre sus defensores se encuentran el Premio Nobel de Física holandés Gerard 't Hooft y el físico estadounidense John Wheeler, cuyo famoso dicho "it from bit" es una expresión concisa de la hipótesis.

Hacia el reino cuántico.

Algunos, entre ellos Margolus, han seguido desarrollando la versión clásica de la teoría. Otros han llegado a la conclusión de que un modelo computacional clásico no podría ser responsable de las complejidades del Universo que observamos. Según Lloyd, la teoría original del universo digital de Fredkin tiene "impedimentos muy serios para que un universo digital clásico pueda comprender los fenómenos de la mecánica cuántica". Pero si se cambian las reglas de cálculo clásicas de la física digital de Fredkin por reglas cuánticas, muchos de esos problemas desaparecen. Se pueden captar características intrínsecas de un universo cuántico, como el entrelazamiento entre dos estados cuánticos separados en el espacio, de una forma que una teoría basada en ideas clásicas no puede.

Lloyd defendió esta idea en una serie de artículos publicados en los años 90 y en un libro de 2006 titulado "Programming the Universe" (Programando el Universo). Culminó con una exposición exhaustiva de cómo las reglas de la computación cuántica podrían explicar las leyes conocidas de la física: la teoría de las partículas elementales, el modelo estándar de la física de partículas y quizá incluso el santo grial de la física fundamental: una teoría cuántica de la gravedad 4.

Estas propuestas son muy distintas de la idea más reciente de que vivimos en una simulación informática, propuesta, entre otros, por el filósofo sueco Nick Bostrom en la Universidad de Oxford (Reino Unido) 5. Mientras que el Universo digital postula que las condiciones iniciales básicas y las reglas del universo computacional surgieron de forma natural, del mismo modo que las partículas y las fuerzas de la física tradicional surgieron de forma natural en el Big Bang y sus secuelas, la hipótesis de la simulación postula que el Universo fue construido deliberadamente por algunos programadores alienígenas inteligentes muy avanzados, quizá como una especie de gran experimento, o incluso como una especie de juego, un esfuerzo inverosímil, en opinión de Lloyd.

La idea básica de un Universo digital podría ser comprobable. Para que el cosmos haya sido producido por un sistema de bits de datos a la diminuta escala de Planck -una escala a la que se espera que se rompan las actuales teorías de la física-, el espacio y el tiempo deben estar formados por entidades discretas y cuantizadas. El efecto de un espacio-tiempo tan granular podría manifestarse, por ejemplo, en diminutas diferencias en el tiempo que tarda la luz de distintas frecuencias en propagarse a través de miles de millones de años luz. Sin embargo, para concretar la idea, probablemente haría falta una teoría cuántica de la gravedad que estableciera la relación entre los efectos de la teoría general de la relatividad de Einstein a macroescala y los efectos cuánticos a microescala. Hasta ahora, los teóricos no lo han conseguido. Aquí, el universo digital podría ayudarse a sí mismo. Según Lloyd, las vías favorables a las teorías cuánticas de la gravitación empiezan a ser cada vez más computacionales, como el principio holográfico introducido por 't Hooft, según el cual nuestro mundo es una proyección de una realidad de dimensiones inferiores. "Parece esperanzador que estas ideas sobre el universo digital cuántico puedan arrojar algo de luz sobre algunos de estos misterios", afirma Lloyd.

Sería sólo la última vuelta de tuerca de una historia poco convencional. El propio Fredkin pensaba que su falta de una educación típica en física fue, en parte, lo que le permitió llegar a sus puntos de vista distintivos sobre el tema. Lloyd está de acuerdo. "Creo que si hubiera tenido una educación más convencional, si hubiera ascendido en el escalafón y hubiera seguido los cursos estándar de física y demás, quizá habría hecho trabajos menos interesantes".

Referencias:

1. Fredkin, E. & Toffoli, T. Int. J. Theor. Phys. 21, 219–253 (1982).
   Article Google Scholar
2. Lloyd, S. Science 261, 1569–1571 (1993).
   Article PubMed Google Scholar
3. Fredkin, E. Phys. D: Nonlinear Phenom. 45, 254–270 (1990).
   Article Google Scholar
4. Lloyd, S. Preprint at [1312.4455] The universe as quantum computer (2013).
5. Bostrom, N. Philos. Q. 53, 243–255 (2003).
   Article Google Scholar

Artículo: