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¿Por qué siguen siendo incompatibles la relatividad especial de Albert Einstein y distintas conclusiones experimentales de la mecánica cuántica? ¿Qué son el entrelazamiento y las variables ocultas? ¿En qué consiste la propuesta einsteiniana de John Bell?

La mecánica cuántica nació hace cien años como un lenguaje para situaciones experimentales desconocidas para la física clásica. Fue el hallazgo de una manera de hablar sobre una escala microscópica inconsistente con el lenguaje causa / efecto antes dominante.

Desde un punto de vista cuántico, dos fotones, partículas elementales que transportan energía electromagnética, responsables de la luz y la radiación, pueden influirse mutuamente sin importar si se encuentran a diez kilómetros o a diez años luz de distancia, de manera aparentemente instantánea o de manera “superlumínica”, y sin intercambiar información o sin interactuar entre sí, por lo menos de una manera explicable por la física actual. Este es un efecto clave para tecnologías como la comunicación cuántica, trasmisores de información ultrarrápidos y, por qué no decirlo, aún imperfectos que replican el estado de un sistema cuántico a distancia.

La naturaleza cuántica parece revelarse como una ontología débil o fantasmal. Su lenguaje advierte Influencias no locales y superlumínicas entre miembros de pares cuánticos entrelazados y separados espacialmente. ¿Se tratan de fantasmas que parecen reales o de una realidad que hasta ahora no muestra todo su realismo? Sea como sea, este física todavía nueva trata sobre la intimidad más extraña del universo. En palabras del escritor estadounidense Roger Ebert:

La teoría cuántica ahora está discutiendo conexiones instantáneas entre dos objetos cuánticos entrelazados. Este fenómeno se ha observado en experimentos de laboratorio y los científicos creen haberlo demostrado No están hablando de una velocidad superior a la de la luz. La velocidad no tiene nada que ver con eso. Los objetos entrelazados de alguna manera se comunican instantáneamente a distancia. Si eso es cierto, la distancia no tiene significado. Los años luz no tienen significado. El espacio no tiene significado. En cierto sentido, los objetos entrelazados ni siquiera se están comunicando. Son la misma cosa. En el “nivel cuántico”, todo puede estar real o teóricamente vinculado. Todo es uno. El sol, la luna, las estrellas, la lluvia, tú, yo, todo. Todo uno.

Sin embargo, Albert Einstein siempre se mostró consternado por la incompatibilidad entre lo descrito sobre las interacciones del universo cuántico y uno de los principios de su famosa teoría de la relatividad especial, la denominada “localidad”. En pocas palabras, esta establece que dos entidades alejados como dos fotones distantes solo pueden compartir información para influirse recíprocamente en un entorno local y una vez dado un intervalo de tiempo que no puede superar la velocidad de la luz. Un filósofo como David Hume sugeriría que lo instantáneo es solo una ilusión experimental a falta de la “impresión” completa de un fenómeno cuántico.

Einstein temía que el paradigma cuántico fuera una libertad científica no explicativa o no realista. Debía haber entre los sistemas de partículas una propiedad del orden no reconocida:

Me gusta pensar que la Luna está ahí incluso si no la estoy mirando.

La precisión de los detectores actuales da solo a entender que los fotones de comportaron como una sola entidad indiferente a cualquier brecha espacial. A esto apunta la teoría del “entrelazamiento cuántico”, un estado en el que las partículas se entremezclan y ya no pueden describirse individualmente. Fue el físico vienés Erwin Schrödinger quien descubrió, en 1926, la posibilidad del entrelazamiento. De acuerdo con el matemático estadounidense Amir Aczel:

Ya no se trata simplemente de una partícula que interfiere consigo misma, sino de un sistema que interfiere consigo mismo: un sistema entrelazado. Schrödinger se dio cuenta de que los fotones producidos en un proceso que los vincula entre sí se entrelazan, y de hecho acuñó el término entrelazamiento, tanto en su alemán nativo como en inglés.

El entrelazamiento es paradójico. Por un lado, es experimentalmente real que ni la distancia ni el tiempo ni la velocidad de la luz comprometen el intercambio de información entre entidades cuánticas, sean dos fotones o dos átomos de rubidio. Por otro lado, no es posible “ver” este intercambio de información o medirla de una manera no probabilística. ¿Se trata entonces de la verdad incuestionable de la nueva física o es posible que los físicos estén pasando por alto algo importante? Simplemente este lenguaje podría estar retrasando la comprensión genuina de la comunicación más secreta del universo, una serie de “variables ocultas”.

Einstein y el físico islandés John Bell estaban seguros de que la teoría cuántica actual había dejado de lado la búsqueda de una explicación, una sobre las variables desconocidas del universo. Empleando conceptos del filósofo italiano Gianni Vattimo, este sería un universo de sistemas con leyes “fuertes”, deterministas, y no “débiles”, que interfieren consigo mismas, algo que entra en conflicto con el realismo local de la relatividad especial. Por variables ocultas se está queriendo decir “no observadas”, valores definidos que niegan un comportamiento cuántico ilusoriamente aleatorio o carente de determinaciones espacio/ temporales. En palabras de Bell:

Una última moraleja se refiere a la terminología. ¿Por qué gente tan seria se tomaba tan en serio axiomas que ahora parecen tan arbitrarios? Sospecho que se dejaron engañar por el pernicioso mal uso de la palabra “medición” en la teoría contemporánea. Esta palabra sugiere con mucha fuerza la constatación de alguna propiedad preexistente de alguna cosa, y cualquier instrumento que intervenga desempeña un papel puramente pasivo. Los experimentos cuánticos no son así. Los resultados tienen que considerarse como el producto conjunto del montaje experimental completo.

El concepto de “medición” se vuelve tan difuso al reflexionar sobre él que resulta bastante sorprendente que aparezca en la teoría física en el nivel más fundamental. ¿Acaso cualquier análisis de la medición no requiere conceptos más fundamentales que la medición? ¿Y no debería la teoría fundamental tratar sobre estos conceptos?

Durante 1964, mientras trabajaba en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, Bell propuso una formulación alternativa de la mecánica cuántica que incluye estas variables ocultas locales. Se trata de un experimento que recurre a otra propiedad cuántica de las partículas conocida como “espín”, una suerte de rotación intrínseca con velocidades cuantizadas.

Durante las últimas cuatro décadas, la prueba de Bell se ha implementado en experimentos reales, premios que, en 2022, fueron reconocidos con el Premio Nobel de física de 2022. Los resultados no pudieron ser más impactantes: hasta ahora no existen teorías de variables ocultas locales compatibles con la mecánica cuántica, conclusión que no satisface una armonía final entre este campo del conocimiento y la relatividad einsteiniana. Como escribió Bell:

El malestar que siento está asociado con el hecho de que las correlaciones cuánticas perfectas observadas parecen exigir algo así como la hipótesis “genética”, gemelos idénticos, portadores de genes idénticos. Para mí, es tan razonable suponer que los fotones en esos experimentos llevan consigo programas, que han sido correlacionados de antemano, que les dicen cómo comportarse. Esto es tan racional que creo que cuando Einstein vio eso, y los demás no, él fue el hombre racional. Las otras personas, aunque la historia los ha justificado, enterraron la cabeza en la arena. Así que para mí, es una lástima que la idea de Einstein no funcione. Lo razonable simplemente no funciona.

 

Imagen: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation.