El experimento que cambió para siempre nuestra forma de pensar sobre la realidad

El principio de incertidumbre dice que no se pueden conocer ciertas propiedades de un sistema cuántico al mismo tiempo. Por ejemplo, no se puede conocer simultáneamente la posición de una partícula y su momento. ¿Pero qué implica esto sobre la realidad? Si pudiéramos mirar detrás de las cortinas de la teoría cuántica, ¿encontraríamos que los objetos realmente tienen posiciones y momentos bien definidos? ¿O acaso el principio de incertidumbre significa que, a un nivel fundamental, los objetos no pueden tener una posición y un momento claros al mismo tiempo? En otras palabras, ¿la borrosidad está en nuestra teoría o en la propia realidad?

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Caso 1: Gafas borrosas, realidad clara

La primera posibilidad es que utilizar la mecánica cuántica sea como llevar gafas borrosas. Si de alguna manera pudiéramos quitarnos esas gafas y asomarnos a la realidad fundamental, entonces, por supuesto, una partícula debe tener una posición y un momento definidos. Después de todo, es una cosa en nuestro universo, y el universo debe saber dónde está la cosa y en qué dirección va, aunque nosotros no lo sepamos. Según este punto de vista, la mecánica cuántica no es una descripción completa de la realidad: estamos sondeando la finura de la naturaleza con una herramienta sin filo, por lo que es inevitable que nos perdamos algunos detalles.

Esto encaja con el funcionamiento de todo lo demás en nuestro mundo. Cuando me quito los zapatos y ves que llevo calcetines rojos, no asumes que mis calcetines estaban en un estado de color indeterminado hasta que los observamos, con alguna posibilidad de que pudieran haber sido azules, verdes, amarillos o rosas. Eso es una locura. En cambio, usted asume (correctamente) que mis calcetines siempre han sido rojos. Entonces, ¿por qué una partícula debería ser diferente? Seguramente, las propiedades de las cosas en la naturaleza deben existir independientemente de que las midamos, ¿no?

Caso 2: Gafas claras, realidad borrosa

Por otro lado, podría ser que nuestras gafas sean perfectamente claras, pero la realidad sea borrosa. Según este punto de vista, la mecánica cuántica es una descripción completa de la realidad a este nivel, y las cosas en el universo simplemente no tienen una posición y un momento definidos. Este es el punto de vista al que se adhieren la mayoría de los físicos cuánticos. No es que las herramientas sean contundentes, sino que la realidad es intrínsecamente nebulosa. A diferencia del caso de mis calcetines rojos, cuando se mide dónde está una partícula, ésta no tenía una posición definida hasta el momento en que se midió. El acto de medir su posición la obligó a tener una posición definida.

Ahora, podrías pensar que ésta es una de esas preguntas metafísicas del tipo «si un árbol se cae en el bosque» que nunca pueden tener una respuesta definitiva. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de las preguntas filosóficas, hay un experimento real que se puede hacer para resolver este debate. Es más, el experimento se ha hecho, muchas veces. En mi opinión, es una de las ideas más infravaloradas en nuestra comprensión popular de la física. El experimento es bastante sencillo y tremendamente profundo, porque nos dice algo profundo y sorprendente sobre la naturaleza de la realidad.

Este es el montaje. Hay una fuente de luz en el centro de la habitación. Cada minuto, en el minuto, envía dos fotones, en direcciones opuestas. Estos pares de fotones se crean en un estado especial conocido como entrelazamiento cuántico. Esto significa que ambos están conectados de forma cuántica, de modo que si se realiza una medición en un fotón, no sólo se altera el estado cuántico de ese fotón, sino que también se altera inmediatamente el estado cuántico del otro.

¿Conmigo hasta ahora?

A la izquierda y a la derecha de esta sala hay dos cajas idénticas diseñadas para recibir los fotones. Cada caja tiene una luz. Cada minuto, cuando el fotón golpea la caja, la luz parpadea uno de los dos colores, ya sea rojo o verde. De un minuto a otro, el color de la luz parece bastante aleatorio: a veces es rojo y otras veces es verde, sin un patrón claro en uno u otro sentido. Si pones la mano en la trayectoria del fotón, la bombilla no parpadea. Parece que esta caja está detectando alguna propiedad del fotón.

Así que cuando miras una caja cualquiera, parpadea una luz roja o verde, completamente al azar. Cualquiera puede adivinar qué color parpadeará a continuación. Pero aquí está lo realmente extraño: Cada vez que una caja parpadea un determinado color, la otra caja siempre parpadea el mismo color. No importa lo lejos que intentes alejar las cajas del detector, incluso podrían estar en extremos opuestos de nuestro sistema solar, parpadearán el mismo color sin falta.

Es casi como si estas cajas estuvieran conspirando para dar el mismo resultado. ¿Cómo es posible? (Si tiene su propia teoría sobre el funcionamiento de estas cajas, aférrese a ella, y dentro de un rato podrá contrastar su idea con un experimento.)

«¡Ajá!», dice el entusiasta de la cuántica. «Puedo explicar lo que ocurre aquí. Cada vez que un fotón choca con una de las cajas, la caja mide su estado cuántico, del que informa haciendo parpadear una luz roja o verde. Pero los dos fotones están unidos por un entrelazamiento cuántico, así que cuando medimos que un fotón está en el estado rojo (digamos), ¡hemos forzado al otro fotón al mismo estado también! Por eso las dos cajas siempre parpadean del mismo color.»

«Espera», dice el prosaico físico clásico. «Las partículas son como bolas de billar, no muñecos de vudú. Es absurdo que una medición en un rincón del espacio pueda afectar instantáneamente a algo en un lugar totalmente distinto. Cuando observo que uno de mis calcetines es rojo, no cambia inmediatamente el estado de mi otro calcetín, obligándolo a ser rojo también. La explicación más sencilla es que los fotones de este experimento, al igual que los calcetines, se crean por parejas. A veces están ambos en el estado rojo, otras veces están ambos en el estado verde. Estas cajas sólo miden este «estado oculto» de los fotones».

El experimento y el razonamiento que se expone aquí es una versión de un experimento mental articulado por primera vez por Einstein, Podolsky y Rosen, conocido como el experimento EPR. El quid de su argumento es que parece absurdo que una medición en un lugar pueda influir inmediatamente en una medición en un lugar totalmente diferente. La explicación más lógica es que las cajas detectan alguna propiedad oculta que comparten ambos fotones. Desde el momento de su creación, estos fotones podrían llevar algún sello oculto, como un pasaporte, que los identifica como si estuvieran en el estado rojo o en el estado verde. Las cajas deben entonces detectar este sello. Einstein, Podolsky y Rosen argumentaron que la aleatoriedad que observamos en estos experimentos es una propiedad de nuestra teoría incompleta de la naturaleza. Según ellos, son nuestras gafas las que están borrosas. En la jerga del campo, esta idea se conoce como teoría de las variables ocultas de la realidad.

Parece que el físico clásico ha ganado este asalto, con una explicación que es más sencilla y tiene más sentido.

Al día siguiente, un nuevo par de cajas llega al correo. La nueva versión de la caja tiene tres puertas incorporadas. Sólo se puede abrir una puerta a la vez. Detrás de cada puerta hay una luz, y al igual que antes, cada luz puede brillar en rojo o en verde.

Los dos físicos juegan con estas nuevas cajas, capturando fotones y observando lo que ocurre al abrir las puertas. Después de unas horas de jugueteo, esto es lo que encuentran:

1. Si abren la misma puerta en ambas cajas, las luces siempre parpadean del mismo color.

2. Si abren las puertas de las dos cajas al azar, las luces parpadean del mismo color exactamente la mitad de las veces.

Después de pensarlo un poco, el físico clásico llega a una explicación sencilla para este experimento. «Básicamente, esto no es muy diferente de las cajas de ayer. Esta es una manera de pensar en ello. En lugar de tener un solo sello, digamos que cada par de fotones tiene ahora tres sellos, algo así como tener varios pasaportes. Cada puerta de la caja lee uno diferente de estos tres sellos. Así, por ejemplo, los tres sellos podrían ser rojo, verde y rojo, lo que significa que la primera puerta parpadearía en rojo, la segunda en verde y la tercera en rojo.»

«Siguiendo esta idea, tiene sentido que cuando abrimos la misma puerta en ambas cajas, obtengamos el mismo color de luz, porque ambas cajas están leyendo el mismo sello. Pero cuando abrimos puertas diferentes, las cajas están leyendo sellos diferentes, por lo que pueden dar resultados diferentes».

De nuevo, la explicación del físico clásico es directa, y no invoca ninguna noción elegante como el entrelazamiento cuántico o el principio de incertidumbre.

«No tan rápido», dice la física cuántica, que acaba de terminar de garabatear un cálculo en su cuaderno. «Cuando usted y yo abrimos las puertas al azar, descubrimos que la mitad de las veces, las luces parpadean del mismo color. Este número -la mitad- coincide exactamente con las predicciones de la mecánica cuántica. Pero según sus ideas de «sellos ocultos», ¡las luces deberían parpadear del mismo color más de la mitad de las veces!»

El entusiasta de la cuántica está en algo aquí.

«Según la idea de los sellos ocultos, hay 8 posibles combinaciones de sellos que podrían tener los fotones. Vamos a etiquetarlos por las primeras letras de los colores, para abreviar, así RRG = rojo rojo verde.»

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG
RRR
GGG

«Ahora bien, cuando escogemos puertas al azar, un tercio de las veces escogeremos la misma puerta por azar, y cuando lo hagamos, veremos el mismo color.»

«Los otros dos tercios de las veces, elegimos puertas diferentes. Digamos que nos encontramos con fotones con la siguiente configuración de sellos:»

RRG

«En dicha configuración, si elegimos la puerta 1 en una caja y la puerta 2 en otra, las luces parpadean del mismo color (rojo y rojo). Pero si elegimos las puertas 1 y 3, o las puertas 2 y 3, parpadearían de colores diferentes (rojo y verde). Así que en un tercio de los casos, las cajas parpadean del mismo color.»

«Para resumir, un tercio de las veces las cajas parpadean del mismo color porque elegimos la misma puerta. Dos tercios de las veces elegimos puertas diferentes, y en un tercio de estos casos, las cajas parpadean del mismo color.»

«Sumando esto,»

⅓ + ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55.55%

«Así que el 55,55% es la probabilidad de que las cajas parpadeen del mismo color cuando elegimos dos puertas al azar, según la teoría de los sellos ocultos.»

«¡Pero espera! Sólo hemos mirado una posibilidad – RRG. ¿Qué hay de las otras? Hay que pensar un poco, pero no es muy difícil demostrar que las matemáticas son exactamente las mismas en todos los casos siguientes:»

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG

«Eso deja sólo dos casos:»

RRR
GGG

«En esos casos, obtenemos el mismo color sin importar qué puertas elegimos. Así que sólo puede aumentar las probabilidades generales de que las dos cajas parpadeen del mismo color.»

«El chiste es que según la idea de los sellos ocultos, las probabilidades de que ambas cajas parpadeen del mismo color cuando abrimos las puertas al azar es de al menos el 55,55%. Pero según la mecánica cuántica, la respuesta es el 50%. Los datos concuerdan con la mecánica cuántica y descartan la teoría de los «sellos ocultos».»

Si has llegado hasta aquí, merece la pena que te detengas a pensar en lo que acabamos de mostrar.

Acabamos de repasar el argumento de un resultado pionero de la mecánica cuántica conocido como teorema de Bell. Las cajas negras no emiten realmente luces rojas y verdes, pero en los detalles que importan coinciden con los experimentos reales que miden la polarización de los fotones entrelazados.

El teorema de Bell traza una línea en la arena entre el extraño mundo cuántico y el familiar mundo clásico que conocemos y amamos. Demuestra que las teorías de variables ocultas como las que idearon Einstein y sus colegas simplemente no son ciertas1. En su lugar está la mecánica cuántica, con sus partículas que pueden enredarse a grandes distancias. Cuando perturbas el estado cuántico de una de estas partículas entrelazadas, instantáneamente también perturbas la otra, sin importar en qué parte del universo se encuentre.

Es reconfortante pensar que podríamos explicar la extrañeza de la mecánica cuántica si imagináramos partículas cotidianas con pequeños engranajes invisibles en ellas, o sellos invisibles, o un cuaderno oculto, o algo así -algunas variables ocultas a las que no tenemos acceso- y estas variables ocultas almacenan la posición y el momento «reales» y otros detalles sobre la partícula. Es reconfortante pensar que, a un nivel fundamental, la realidad se comporta de forma clásica, y que nuestra teoría incompleta no nos permite asomarnos a este registro oculto. Pero el teorema de Bell nos roba esta comodidad. La realidad es borrosa, y tenemos que acostumbrarnos a ese hecho.

Notas al pie

1. Técnicamente, el teorema de Bell y el experimento posterior descartan una gran clase de teorías de variables ocultas conocidas como teorías de variables ocultas locales. Son teorías en las que las variables ocultas no viajan más rápido que la luz. No descarta las teorías de variables ocultas no locales en las que las variables ocultas sí viajan más rápido que la luz, y la mecánica bohmiana es el ejemplo más exitoso de este tipo de teorías.

La primera vez que me topé con esta explicación de cajas con luces parpadeantes del teorema de Bell fue en el libro Fabric of the Cosmos de Brian Greene. Esta versión pedagógica del experimento de Bell se remonta al físico David Mermin, quien lo ideó. Si quiere conocer su brillante y única forma de exponer la física, hágase con un ejemplar de su libro Boojums All the Way Through.

Imagen de portada: NASA/Flickr