El premio Nobel de Física de 2022 acaba de demostrar que "el universo en realidad no es real"

Uno de los descubrimientos más inquietantes de los últimos cincuenta años es la constatación de que el cosmos no es localmente real. "Local", que denota que un objeto sólo puede verse afectado por su entorno y que ningún efecto puede moverse más rápido que la luz, y "real", que denota que los objetos tienen propiedades específicas independientes de la observación; por ejemplo, una manzana puede ser roja. incluso cuando nadie está mirando. Los investigadores de física cuántica han descubierto que estas ideas son mutuamente excluyentes. Más bien, los datos apuntan a la posibilidad de que los objetos tengan diferentes atributos antes de la medición y que no sólo se vean afectados por su entorno. "¿De verdad crees que la luna no está ahí cuando no la estás mirando?" Es famoso que Albert Einstein le preguntó a un amigo.

Evidentemente, esto es completamente diferente de lo que encontramos a diario. Parafraseando a Douglas Adams, mucha gente está furiosa por la desaparición del realismo local, que generalmente se piensa que ha sido un error.

Hasta el momento, tres físicos (Anton Zeilinger, Alain Aspect y John Clauser) han sido reconocidos por este logro. A partes iguales recibieron el Premio Nobel de Física 2022 "por ser pioneros en la ciencia de la información cuántica, establecer la violación de las desigualdades de Bell y experimentar con fotones entrelazados". ("Desigualdades de Bell" se refiere al trabajo innovador del físico norirlandés John Stewart Bell a principios de la década de 1960, que sentó las bases para el Nobel de Física de este año). Los colegas creían que los tres deberían haber sido castigados por su alteración del status quo. "Es una noticia fantástica. Sandu Popescu, físico cuántico de la Universidad de Bristol, comenta: "Había tardado mucho en llegar". "No hay duda de que el premio es bien merecido".

El renombrado investigador cuántico de IBM, Charles Bennett, afirma: "Los experimentos que comenzaron con el primero de Clauser y continúan, muestran que esto no es sólo filosófico, es real y, como otras cosas reales, potencialmente útil".

El historiador y físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts, David Kaiser, recuerda: "Todos los años pensaba: 'Oh, tal vez este sea el año'". En realidad, fue este año. Ambos intensamente emocionantes y profundamente emotivos.

Pasó un tiempo hasta que las bases cuánticas ganaron fuerza desde la periferia. Desde aproximadamente 1940 hasta 1990, el tema se consideraba con frecuencia filosofía, en el mejor de los casos, y chifladura, en el peor. La investigación sobre fundamentos cuánticos no era bien recibida en muchas revistas científicas, y los trabajos académicos que apoyaban tales estudios eran casi inexistentes. El asesor de Popescu lo disuadió de realizar un doctorado. en el campo en 1985.

Popescu lo cita diciendo: "Mira, si haces eso, te divertirás durante cinco años y luego te quedarás sin trabajo".

Hoy en día, uno de los subcampos más activos e influyentes de toda la física es la ciencia de la información cuántica. A través de la naturaleza aún misteriosa de los agujeros negros, conecta la mecánica cuántica con la teoría general de la relatividad de Einstein. Determina la estructura y las capacidades de los sensores cuánticos, que se utilizan cada vez más para investigar todo, desde la materia oscura hasta los terremotos. Además, arroja luz sobre la naturaleza frecuentemente enigmática del entrelazamiento cuántico, el concepto fundamental de la computación cuántica y un área de estudio clave en la ciencia de materiales contemporánea.

"¿Qué es exactamente lo que se considera una computadora "cuántica"?" Una científica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología llamada Nicole Yunger Halpern plantea una pregunta retórica. El entrelazamiento es una de las respuestas que se dan con mayor frecuencia, y se debe principalmente al excelente trabajo de Bell y de estos ganadores del Premio Nobel que podemos comprender el entrelazamiento. Es probable que el desarrollo de la computación cuántica no fuera posible sin esa comprensión del entrelazamiento.

¿A QUIÉN SUENA LA CAMPANA?

El problema de la mecánica cuántica nunca fue que no pudiera anticipar; de hecho, cuando se desarrolló la teoría en las primeras décadas del siglo XX, los físicos descubrieron que describía maravillosamente el diminuto universo.

En su trabajo fundamental de 1935, Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen esbozaron sus objeciones a las inquietantes consecuencias de la teoría para la realidad. Utilizando un experimento mental para demostrar lo absurdo de la física cuántica y demostrar cómo, bajo algunas circunstancias, la teoría podría fracasar (o al menos, proporcionar hallazgos absurdos que contradicen todo lo que sabemos sobre la realidad), llevaron a cabo un análisis conocido sólo por sus iniciales, EPR. Una forma actualizada y simplificada de EPR se parece a esto: dos observadores, Bob y Alice, que están ubicados en extremos opuestos del sistema solar, son el objetivo de pares de partículas que se lanzan en direcciones separadas desde una fuente compartida. Según las leyes de la física cuántica, no se puede conocer el giro de una partícula (una propiedad cuántica) antes de medirla. Alice descubre que una de sus partículas tiene un giro hacia arriba o hacia abajo cuando la mide. Aunque sus resultados son impredecibles, sabe que la partícula correspondiente de Bob debe estar baja en el momento en que ella mide. Esto no parece tan extraño al principio; tal vez las partículas sean similares a un par de calcetines en el sentido de que Bob debe tener el calcetín izquierdo si Alice recibe el derecho.

Sin embargo, las partículas no son como calcetines en la mecánica cuántica; en cambio, se conforman con un giro hacia arriba o hacia abajo sólo cuando se miden. El principal enigma con EPR es este: si las partículas de Alice no tienen espín hasta que se miden, ¿cómo pueden saber qué harán las partículas de Bob cuando salgan disparadas del sistema solar en la otra dirección después de pasar Neptuno? Cada vez que Alice toma una medida, básicamente le pregunta a su partícula en qué dirección lanzará Bob la moneda: ¿hacia arriba o hacia abajo? Hay una probabilidad de 1 entre 1060 de pronosticar esto correctamente incluso 200 veces seguidas, lo que es mayor que el número total de átomos en el sistema solar. Sin embargo, según la mecánica cuántica, las partículas de Alice pueden seguir haciendo predicciones precisas incluso aunque estén a miles de millones de kilómetros de distancia de las partículas de Bob, como si estuvieran conectadas entre sí telepáticamente.

Cuando el experimento mental EPR se lleva a cabo en el mundo real, los resultados respaldan los aspectos más sorprendentes de la teoría, a pesar del objetivo original de exponer los defectos de la física cuántica. Según la teoría cuántica, nada en la naturaleza es localmente real; Las partículas parecen comunicarse entre sí a través de distancias y carecen de características como girar hacia arriba o hacia abajo antes de ser medidas.

Los escépticos de la mecánica cuántica sugirieron que podría haber "variables ocultas" o elementos que presidieran la realidad subatómica a un nivel invisible y contuvieran información sobre el estado futuro de una partícula. Creían que la naturaleza podría recuperar el realismo local que la mecánica cuántica le había quitado mediante teorías de variables ocultas.

"Se esperaba que los argumentos expuestos por Podolsky, Rosen y Einstein provocaran en ese mismo momento una revolución que condujera al desarrollo de variables ocultas", explica Popescu.

Sin embargo, los físicos no tomaron bien el "ataque" de Einstein a la mecánica cuántica, ya que en su mayoría aceptaron la teoría tal como era. Con frecuencia esto se debía más a un deseo de evitar pensar demasiado en los problemas de física que a una aceptación deliberada de la realidad no local; El físico David Mermin resumió más tarde esta actitud como una orden de "cállate y calcula".

Parte de la razón de la falta de atención se debió al hecho de que el renombrado científico John von Neumann proporcionó una demostración matemática en 1932 que descartaba las teorías de variables ocultas. (Cabe señalar que Grete Hermann, una joven matemática, cuestionó el argumento de Von Neumann sólo tres años después, aunque a nadie pareció importarle en ese momento).

La cuestión del realismo no local en la mecánica cuántica permanecería sin resolver durante treinta años más hasta que Bell la desmantelara decisivamente. Bell se mostró escéptico respecto de las teorías de variables ocultas y le preocupaba la ortodoxia cuántica desde el comienzo de su trabajo. En 1952, se inspiró al descubrir que su colega científico David Bohm había desarrollado una interpretación viable de la física cuántica con variables ocultas no locales, que von Neumann había declarado previamente que no era práctica. Durante un largo período, Bell consideró los conceptos como un esfuerzo secundario a su papel principal como científico de partículas en el CERN.

Las mismas debilidades que Hermann había encontrado en la tesis de von Neumann fueron nuevamente encontradas por Bell en 1964. Posteriormente, en una impresionante demostración de destreza analítica, Bell desarrolló un teorema que logró sacar la cuestión de las variables ocultas de su atolladero filosófico y llevarla a la realidad experimental. dominio.

Generalmente, la mecánica cuántica y las teorías de variables ocultas predicen resultados experimentales idénticos. Bell descubrió que en determinadas situaciones puede aparecer un desajuste empírico entre ambos. Las mismas partículas pareadas se les dan a Alice y Bob en la prueba homónima de Bell, que es una extensión del experimento mental EPR. Sin embargo, esta vez, cada uno tiene dos configuraciones de detector distintas: A y a y B y b. Para complicar su aparente telepatía, Alice y Bob pueden hacer diferentes preguntas a las partículas ajustando la configuración del detector. Las partículas no pueden superar este paso adicional y no siempre pueden alcanzar la correlación perfecta en la que Alice mide el giro hacia abajo cuando Bob mide el giro hacia arriba (y viceversa), en teorías locales de variables ocultas donde su estado está predeterminado y nada las vincula. Sin embargo, en Según las teorías locales de variables ocultas, las partículas nunca podrían estar más acopladas y conectadas que en la física cuántica. En pocas palabras, están enredados.

Por lo tanto, la exactitud de una teoría podría determinarse midiendo repetidamente la correlación de numerosos pares de partículas. Se sugeriría la existencia de variables ocultas si la correlación se mantuviera por debajo de un límite determinado por el teorema de Bell; si superaba el límite de Bell, los asombrosos principios de la física cuántica tendrían prioridad. El teorema de Bell fue publicado en una publicación relativamente oscura, pero a pesar de su potencial para proporcionar luz sobre la naturaleza de la realidad misma, fue ignorado durante años.

LA CAMPANA ESTÁ SUENA PARA TI

Cuando el estudiante de doctorado John Clauser de la Universidad de Columbia encontró una copia del trabajo de Bell en la biblioteca en 1967, inmediatamente se sintió atraído por la perspectiva de demostrar la validez de las teorías de variables ocultas. Dos años más tarde, Clauser escribió a Bell para preguntarle si realmente se había realizado la prueba. Una de las primeras cartas de crítica que recibió Bell fue de Clauser.

Cinco años más tarde, Clauser y su estudiante de doctorado Stuart Freedman realizaron la primera prueba de Bell con el apoyo de Bell. Clauser se especializó en el "buceo en contenedores de basura" para conseguir equipos, como afirmó en una entrevista posterior, tras obtener la aprobación de sus superiores pero careciendo de muchos recursos económicos. Luego colocó cinta adhesiva en algunos de los equipos que él y Freedman habían tomado. Se enviaron pares de fotones en direcciones opuestas hacia los detectores en la configuración de Clauser, un dispositivo del tamaño de un kayak que requirió ajustes manuales meticulosos para determinar su estado o polarización. 

Lamentablemente para Clauser y su obsesión por los factores ocultos, después de realizar su análisis, Freedman y él se vieron obligados a llegar a la conclusión de que habían descubierto pruebas sustanciales en su contra. Sin embargo, hubo una serie de "lagunas" en el experimento que podrían haber permitido que se filtrara la influencia de variables no identificadas, lo que hizo que el hallazgo estuviera lejos de ser seguro. El más preocupante de ellos fue el vacío legal de localidad, que permitió que las correlaciones detectadas aún provinieran de factores ocultos si la fuente de fotones o los detectores pudieran haber compartido información de alguna manera (lo cual es concebible dentro de un objeto del tamaño de un kayak).

En reacción a los hallazgos preliminares de Aspect, Bell dijo: "Quizás la naturaleza no sea tan extraña como la mecánica cuántica". "Pero desde este punto de vista, la situación experimental no es muy alentadora".

Pero todavía había otras lagunas que, lamentablemente, Bell falleció en 1990 antes de que se llenaran. Como el experimento de Aspect se realizó a una distancia inadecuada, no se pudieron descartar por completo los efectos locales. De manera similar a lo que Clauser y otros habían descubierto, Alice y Bob podrían sacar conclusiones incorrectas si no se les garantizaba encontrar una muestra representativa imparcial de partículas.

Nadie cerró estas brechas de manera más agresiva que el motivado y extrovertido físico austriaco Anton Zeilinger. Él y su equipo realizaron una prueba de Bell en 1998 a lo largo de una distancia sin precedentes de aproximadamente medio kilómetro, mejorando el trabajo anterior de Aspect. Los días en que se utilizaban pruebas del tamaño de un kayak para determinar la no localidad de la realidad estaban llegando a su fin. Por fin, en 2013, el equipo de Zeilinger dio el siguiente paso sensato al abordar simultáneamente varias lagunas.

Antes de estudiar mecánica cuántica, la ingeniería despertó mi interés. Trabajando junto a Zeilinger, Marissa Giustina es una investigadora cuántica de Google que dice: "Me gusta construir cosas con mis manos". "Mirando hacia atrás, un experimento Bell impecable es un esfuerzo enorme de ingeniería de sistemas".

Un requisito previo para diseñar un experimento que cerrara varias brechas era ubicar un túnel de 60 metros que fuera completamente recto, vacío y con acceso a cables de fibra óptica. Dio la casualidad de que el sótano del Palacio Hofburg de Viena era un lugar casi perfecto a pesar de estar cubierto por un siglo de polvo. Publicados en 2015, sus hallazgos se alinearon con experimentos comparables realizados por otros dos equipos que también descubrieron que la física cuántica es tan perfecta como siempre.

LA PRUEBA DE BELL VA A LAS ESTRELLAS

Todavía quedaba un gran vacío final que debía colmarse, o al menos reducirse. No importa qué tan atrás en el tiempo estuvo conectado físicamente un componente, es posible que esto afecte la validez de los hallazgos de una prueba de Bell. Alice y Bob comparten un pasado si se dan la mano antes de abordar una nave espacial. Aunque parezca poco probable, una teoría local de variables ocultas podría potencialmente aprovechar estas debilidades.

Un grupo que incluía a Kaiser y Zeilinger llevó a cabo una prueba de Bell cósmica en 2017. Mediante el uso de telescopios ubicados en las Islas Canarias, los investigadores derivaron la configuración de sus detectores aleatoriamente a partir de estrellas que están lo suficientemente alejadas en el cielo como para evitar que la luz entre. estrella llegue a la otra durante cientos de años. Esto asegura que exista un vacío de siglos en su pasado cósmico común. Aún así, la mecánica cuántica salió victoriosa una vez más.

La creencia de que la mecánica cuántica era un hecho es uno de los principales obstáculos a superar cuando se intenta convencer al público en general y a los físicos escépticos de la importancia de las pruebas de Bell. Después de todo, los investigadores han medido varias características importantes de la física cuántica con una precisión de más de 10 ^ 9 partes por mil millones.

Para ser honesto, no quería trabajar en eso. Esto es física antigua, vamos, pensé. Giustina dice: "Todos sabemos lo que va a pasar".

Sin embargo, las pruebas de Bell fueron el único medio por el cual se pudo descartar la existencia de variables locales ocultas, incluso con la precisión de la física cuántica.

La pregunta "¿Puede el mundo funcionar de esa manera?" Fue lo que inicialmente atrajo a John Bell y a todos estos premios Nobel al tema. dice Káiser. ¿Y cómo podemos confiar en nuestro conocimiento? Las pruebas de Bell permiten a los físicos eliminar de su trabajo los juicios estéticos antropocéntricos y sesgados. Esto les permite eliminar de su trabajo las partes de la cognición humana que se estremecen ante la idea de un enredo extrañamente inexplicable o que se ríen de las teorías de variables ocultas como si fueran simplemente otra ronda de argumentos inútiles sobre cuántos ángeles pueden bailar en un alfiler. El premio es un homenaje a todos los investigadores que plantearon sus preguntas a pesar de que hacerlo era impopular y que estaban descontentos con las explicaciones superficiales de la mecánica cuántica. Conmemora a Clauser, Aspect y Zeilinger.

Giustina llega a la conclusión de que "las pruebas de Bell son una forma muy útil de mirar la realidad".