¿Por qué han ganado el Nobel de Física Aspect, Clauser y Zeilinger?

El Premio Nobel de Física de este año ha recaído en tres físicos que decidieron dar respuesta al último gran reto de Einstein, y gracias a ellos se abrió toda una disciplina: la información cuántica.

En la física cuántica, que explica el mundo subatómico, la probabilidad manda de forma fundamental: nos dice que jamás, por mucho empeño que pongamos ni por muy bueno que sea nuestro instrumental de medida, podremos conocer el valor de una variable por debajo de un nivel mínimo de incertidumbre.

Para Albert Einstein esto era inaceptable. Para él la naturaleza debía estar bien definida y que la cuántica hablase de probabilidades intrínsecas era una advertencia de que no era una teoría completa, que tenían que existir unas “variables ocultas” de modo que si las conociéramos podríamos eliminar esa incertidumbre. Así que durante las décadas de 1920 y 1930 Einstein se dedicó a poner minas en el camino cuántico, intentado demostrar que era una senda equivocada. Pero esas minas las iba desactivando -no sin gran esfuerzo- otro gigante de la física, el danés Niels Bohr.

Pero Einstein no aflojaba y en el número del 15 de mayo de 1935 de la revista Physical Review firmaba, junto con los físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, el artículo “¿Puede considerarse completa la descripción mecanocuántica de la realidad?”. En él daban a entender que la teoría cuántica era incompleta y, por tanto, jamás podría ser una descripción de la realidad: desde entonces se le conoce como 'la paradoja EPR'.

Einstein contra la teoría cuántica

El mazazo fue de órdago. Wolfgang Pauli, uno de los padres de la teoría cuántica, estaba furioso: “De nuevo Einstein se ha expresado públicamente sobre la teoría cuántica... cada vez que sucede es una catástrofe”. Erwin Schrödinger, otro de los grandes, escribió a Einstein: “Has agarrado a la mecánica cuántica dogmática por el cuello”. Quien sintió más el mazazo fue Niels Bohr. Tras leer el artículo volvió abatido a casa. Abandonó todos sus proyectos para dedicarse en cuerpo y alma a contestar el artículo de Einstein que, dicho sea de paso, se ha convertido por derecho propio en uno de los más importantes de la física del siglo XX.

La propuesta era brillante y de ella surgió un concepto que hoy es el fundamento de la teleportación y los ordenadores cuánticos: el entrelazamiento. Según él, si dos partículas han estado “ligadas” de algún modo en el pasado lo van a estar para siempre, independientemente del tiempo que pase y de lo lejos que esté una de la otra. Para entender el alcance de la paradoja EPR debemos recordar que la mecánica cuántica nos dice que no podemos saber el valor exacto de las propiedades de las partículas si no la medimos, y sólo al hacer la medición el sistema “colapsa” y adquieren un valor determinado.

Ahora bien, dice Einstein: tomemos dos partículas entrelazadas que enviamos a dos lugares muy lejanos. Ahora imaginemos que queremos medir el sentido en que giran las partículas, si a derechas o a izquierdas. Sin hacer la medición, la mecánica cuántica nos dice que esta propiedad estará en un estado de superposición, una mezcla de “girar a derechas” y “girar a izquierdas”.

Pero si medimos cómo gira una de ellas, gracias a que han estado entrelazadas sabremos instantáneamente cuál es el sentido de giro de la otra: justo el contrario. ¡Ahí estaba la trampa! ¿Cómo es posible -razonaba Einstein- que podamos saber el sentido de giro de una partícula sin medirla? ¿No viola eso el sacrosanto principio mecanocuántico? Einstein adujo que si esto sucedía era porque las partículas sí tienen las propiedades definidas. Lo que pasa es que la mecánica cuántica no lo puede calcular porque es una teoría incompleta.

Ahora bien, bajo el planteamiento de Einstein subyacen dos suposiciones que el genial físico daba como ciertas por obvias. La primera es el realismo: los objetos tienen propiedades definidas que se mantienen tanto si los observamos como si no (mi coche va a 100 km/h tenga o no velocímetro). La segunda es la localidad: no hay forma de influir en quien se encuentra muy lejos salvo que le enviemos una señal que deberá viajar, como exige la relatividad especial, a una velocidad máxima igual a la de la luz.

Por tanto, si ambas suposiciones son ciertas, el entrelazamiento lleva a una paradoja y la teoría cuántica tiene una enorme falla conceptual. Bohr le dio muchas vueltas al asunto y al final llegó a una conclusión: no hay paradoja porque la naturaleza se comporta tal y como afirma el experimento mental de EPR. Decir eso es una carga de profundidad a nuestra forma de entender el universo; lo que Bohr estaba diciendo es que el mundo es no-local y no-realista.

Las desigualdades de Bell

La cuestión quedó así hasta que en la década de 1960 entró en juego un físico irlandés pelirrojo y pecoso llamado John Bell, que se dio cuenta de que Einstein, Poldoslky y Rosen no habían descubierto una paradoja sino algo crucial en nuestra comprensión del universo. La teoría cuántica no es incompleta, son las suposiciones de realismo y localidad las que contradicen el alma de la teoría cuántica. Ahora bien, ¿cómo probar experimentalmente que tenía razón? Para ello debía descubrir una formulación matemática que permitiera discernir entre ambas situaciones. Así nació su famoso teorema que contiene ciertas desigualdades conocidas, desde entonces, como las desigualdades de Bell. Con ellas se puede plantear un experimento que nos permita decidir entre dos situaciones: o vivimos en un mundo clásico y las variables ocultas de Einstein crean la ilusión del entrelazamiento cuántico o el entrelazamiento es real, el mundo subatómico es tan extraño como parece, y la no-localidad es una característica básica de nuestro mundo.

Los primeros en llevar diseñar un experimento así fueron Abner Shimony y Mike Horne en Boston, John F. Clauser en Nueva York y Richard Holt en Harvard en 1969. La idea era usar fotones entrelazados y medir su polarización. Clauser, que creía en el realismo local de Einstein, hizo una apuesta con el israelí Yakir Aharanov: dos a uno en contra de la mecánica cuántica. El primer resultado dio la razón a la mecánica cuántica: el mundo es intrínsecamente no-local. 

Física desde África

Salvo por Clauser y compañía, el artículo de Bell pasó totalmente desapercibido entre los físicos. A muy pocos les interesaban los aspectos filosóficos de la teoría cuántica; les bastaba con saber que funcionaba a la perfección. De hecho, en 1979 las mejores revisiones sobre este tema fueron un memorando no publicado de la CIA y un artículo de fondo en la revista Oui, la respuesta de Playboy a la eróticamente más explícita Penthouse.

Quien dio el golpe en la mesa cuántica fue un francés que en 1971 se había ido a Camerún para ayudar a que la gente no viviera en condiciones adversas: Alain Aspect. Alejado de la influencia académica, dedicaba su tiempo libre a estudiar uno de los libros más profundos y completos sobre la mecánica cuántica, el de Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu y Franck Laloë. Allí, en el corazón de África, descubrió la paradoja EPR y leyó un peculiar artículo de un oscuro físico que trabajaba en el CERN, John Bell.

De regreso a Francia decidió elucidar de una vez por todas quién tenía razón (y Aspect estaba convencido de que era la mecánica cuántica), y para ello diseñó tres experimentos. El resultado final fue que la teoría cuántica derrotaba totalmente a las variables ocultas. Pero había que poner el último clavo a la tumba del realismo. Y, entre otros, eso es lo que hizo en 2017 Johannes Handsteiner y Anton Zeilinger de la Universidad de Viena: usaron la luz de dos estrellas diferentes, cada una de ellas observada por un telescopio y ambos separados 2 km, para probar la realidad del entrelazamiento. Y así ocurrió: Einstein había perdido.

Referencias:

Aspect A (1999). "Bell's inequality test: more ideal than ever", Nature 398 (6724): 189–90 

Bell, J. S. (1964). "On the Einstein Podolsky Rosen Paradox", Physics Physique Физика. 1 (3): 195–200 

d'Espagnat, B. (2003) Veiled Reality. An Analysis Of Present-Day Quantum Mechanical Concepts. Westview Press 

Einstein, A; B Podolsky; N Rosen (1935-05-15). "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?", Physical Review. 47 (10): 777–780 

Kaiser, D. (2011) How the hippies saved physics, Norton & Co.

Kumar, M. (2009) Quantum, Icon Books

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

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