Magical Mystery Tour (2)

/ Almacén de ambigüedades / Antonio Monterrubio /

En 1952, David Bohm modificó el experimento mental EPR usando un par de partículas y una sola variable de interés: la proyección del espín de cada una según una dirección particular. Así, la paradoja quedaba expuesta en términos más concisos y sencillos. En 1957, escribió junto con Aharonov un artículo esencial que rebatía argumentos como que el entrelazamiento podría disiparse con la distancia o que tal relación no existiría realmente. Establecía además un requisito básico para saber cómo se comportaban las partículas en un experimento EPR. Se debería usar un mecanismo de elección retardada: el investigador debería escoger qué dirección medir solo después de que las partículas estén en vuelo.

En 1964, el físico norirlandés John S. Bell puso de manifiesto que tanto Einstein como Bohr, al igual que la paloma de Alberti, se equivocaban. El segundo al creer que nada fallaba en su interpretación —de Copenhague— de la mecánica cuántica. El primero en qué era lo que fallaba (Albert, Galchen: El principio de localidad). Bell puso el dedo en la llaga. La cuestión crucial es si las violaciones de tal principio en el algoritmo mecanocuántico son solo aparentes o no. Si hubiera algún algoritmo local que hiciera las mismas predicciones, habría que considerar esa transgresión como un mero artefacto del formalismo cuántico. Pero si ninguno pudiera evitarlas, deberían considerarse fenómenos físicos genuinos. Bell analizó el caso concreto de dos partículas de espin ½ entrelazadas en estado singlete emitidas por la misma fuente. Y concluyó que ningún algoritmo de la especie requerida podía ser local. En suma, «las predicciones estadísticas de la mecánica cuántica resultan incompatibles con una predeterminación separable» (Bell: Sobre la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen). Corolario: el mundo físico real no sería local. Para evidenciar cómo se traduce esto en la práctica, «experimentos del tipo propuesto por Bohm y Ahoronov, en los que se cambian los montajes estando las partículas en vuelo, resultan cruciales» (Bell: ibídem).

Por fin los avances tecnológicos permitieron dejar el papel y pasar a la acción, para luego volver al papel cargados de razones. En 1969, Clauser, Horne, Shimony y Holt publicaron en Physical Review Letters un artículo que mejoraba las desigualdades de Bell. Proponía también un diseño experimental basado en la medida de la correlación entre las direcciones de dos fotones. Tras más de doscientas horas de minuciosas comprobaciones, Clauser y su equipo obtuvieron resultados altamente significativos desde el punto de vista estadístico. Estos apoyaban la teoría cuántica, contrariando el realismo local y las teorías de variables ocultas. Para analizar el entrelazamiento, atendamos al siguiente experimento. Una fuente envía pares de partículas —fotones— hacia los detectores. Lo que se mide en este caso es la correlación entre sus polarizaciones. Los dos polarizadores pueden rotarse en torno al eje del haz para medir las polarizaciones lineales a lo largo de una dirección escogida a voluntad. Los resultados obtenidos certifican que «tal y como demostró John Bell, estas observaciones no pueden explicarse a partir de una teoría local y realista» (Zeilinger: La realidad de los cuantos).

En 1976, Fry y Thompson, con átomos excitados mediante láser, obtuvieron nuevas confirmaciones. Y lo mismo sucedió con los experimentos de Kasday–Ullman–Wu, que usaban fotones provenientes de la aniquilación del positronio, y de Lamehi–Rachti y Mittig, con protones correlacionados en estado singlete. La serie de ensayos llevados a cabo por Aspect y su equipo cerraba de forma casi definitiva la cuestión. Los primeros partían de un diseño de canal simple, con el objetivo de reproducir los resultados precedentes de manera más precisa y convincente, más robusta. Luego se efectuaron otros con dos canales del tipo propuesto por Clauser y Horne, para acercarse al experimento ideal cerrando el camino a la escapatoria de la detección. Por último, se ejecutaron las pruebas sugeridas por Bohm-Ahoronov y descritas por Bell. La dirección de polarización de los analizadores se establece después de salir los fotones de la fuente, escogiendo la orientación aleatoriamente y con retardo. Aspect diseñó polarizadores capaces de cambiar su dirección en el espacio a tal velocidad que el cambio se realiza mientras los fotones están en vuelo. Para ello, en cada extremo del dispositivo se colocaban analizadores de polarización con diferentes orientaciones y conectados a un conmutador capaz de determinar rápidamente a cuál de ellos enviar cada fotón, y por ende con cuál de las posibles orientaciones se toparían. Todas las pruebas concluyeron con la derrota de la localidad y las variables ocultas por obra y gracia de la mecánica cuántica.

Más tarde llegaron nuevas confirmaciones y perfeccionamientos. En los años ochenta, los físicos experimentales comenzaron a usar la técnica aún hoy preferida para la producción de electrones entrelazados, la SPDC —Spontaneous parametric down-conversion—. Las distancias fueron progresivamente aumentando. Gisin realizó un ensayo con fotones dentro de un cable de fibra óptica entre dos puntos separados por 11 kilómetros en línea recta, 16 si se tenía en cuenta la trayectoria. El resultado confirmó la realidad del entrelazamiento, de aquella «acción fantasmal a distancia». Ya en el siglo XXI, un equipo liderado por Anton Zeilinger trabajó con el conjunto de telescopios que constituyen el Observatorio Norte Europeo en Canarias. «Puede comprobarse que el entrelazamiento se preserva a través de los 144 kilómetros que separan dos islas, lo cual parece indicar que este fenómeno cuántico tiene lugar con independencia de la distancia», escribía en 2009 el físico austriaco en Scientific American. Esto puede contemplarse desde distintos puntos de vista, no necesariamente incompatibles. «Einstein dijo que si la mecánica cuántica fuera cierta, el mundo estaría loco. Tenía razón: el mundo está loco» (Greenberger). Aunque también: «La mecánica cuántica es el invento más extraño de la humanidad, pero asimismo uno de los más bellos» (Anton Zeilinger).

Los experimentos fueron tornándose cada vez más sofisticados. Greenberger, Horne y Zeilinger presentaron en su trabajo Bell’s theorem without inequalities, un perfeccionamiento del teorema de Bell, más tarde bautizado GHZ, que proponía la idea del entrelazamiento triple. En 1999, Zeilinger y su equipo lo hicieron realidad. Conclusión provisional: la mecánica cuántica es como la banca o la Banca, siempre gana. En 2007, Gröblacher y sus colaboradores en la Universidad de Viena demostraron que ni siquiera podía salvarse un realismo del tipo propuesto por Leggett en 2003, que abandonaba la hipótesis de localidad (An experimental test of non-local realism en Nature, vol. 446).  En cuanto a la espinosa relación entre no-localidad y teoría especial de la relatividad, requeriría un desarrollo mucho más extenso del que podemos darle aquí. 

En todo caso, Amir D. Aczel afirma que «los experimentos han probado que la teoría cuántica es cierta, y por tanto el realismo local no lo es. El teorema de GHZ muestra la contradicción de manera más directa y fácil de entender que el teorema original de Bell» (Entanglement). Las partículas responden instantáneamente, a través de cualquier distancia, proporcionando los resultados predichos por la magia cuántica. Zeilinger y sus colaboradores siguieron investigando con fotones entrelazados para el transporte de información cuántica, y en otros temas correlacionados. Así, por ejemplo, demostraron en laboratorio la interferencia cuántica con moléculas grandes, como el fullereno (C₆₀). Y «aunque el gato de Schrödinger pueda aún seguir sintiéndose a salvo de convertirse en objeto de experimentación cuántica, en un futuro próximo la frontera de los fenómenos cuánticos se extenderá en lo que a la masa del sistema se refiere» (Zeilinger: La realidad de los cuantos). Hasta existe un complicado proceso llamado intercambio de entrelazamiento (entanglement swapping) en el que dos partículas entrelazadas intercambian sus parejas.

El misterio cuántico es múltiple y nunca deja de sorprender. A raíz de su artículo «Acción fantasmal», Hanson y Shalm recibieron de un lector atento estas preguntas: «¿Es el entrelazamiento monógamo? Si un electrón puede estar entrelazado con otro ¿por qué no puede estarlo con otros simultáneamente?». Los autores responden: «Es posible entrelazar múltiples partículas entre sí […] pero el entrelazamiento tiene grados, y si dos partículas están máximamente entrelazadas, entonces no pueden estarlo con una tercera. En ese sentido el entrelazamiento es monógamo» (Investigación y Ciencia, junio 2019). Romanticismo cuántico. Vincular entrelazamiento y amor es casi un tópico. El uso indebido, incluso en forma de tatuaje, de una forma compacta de la ecuación de Dirac como representación del entrelazamiento, la ha convertido, a nivel popular, en la ecuación del amor o la fórmula más bonita del mundo.

Los experimentos extremadamente precisos y concretos llevados a cabo en 2015 descartaron simultáneamente la localidad y cualquier posible laguna de detección. En «Closing the door on Einstein and Bohr’s quantum debate», Aspect concluye que tales ensayos eliminan definitivamente cualquier duda. Si alguna subsistiera, debería etiquetarse con la gráfica expresión far-fetched y ser considerada al margen del razonamiento científicamente legítimo. En 2022, Clauser, Zeilinger y Aspect recibieron el Nobel de Física «for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science». Esto sucedió en fecha tan lejana como el año pasado.

En el entrelazamiento, las partículas se comportan de forma sincrónica sin ningún intermediario: el mundo cuántico no es local (Albert, Galchen: o. cit.). Antes de una medida, las propiedades de los objetos cuánticos entrelazados no están definidas de manera unívoca; después, están fuertemente correlacionadas. Esto contradice —una vez más— la noción de realismo local. «El entrelazamiento no se ajusta a la noción de realidad a la que estamos acostumbrados» (Zeilinger: o. cit.). La separabilidad, es decir la convicción de que lo que ocurre en un lugar no puede afectar de forma instantánea a lo que sucede en otro sin que ninguna fuerza física los conecte, queda en suspenso.

Al efectuar una medición, se obliga al sistema a elegir un valor real y salir de la borrosidad cuántica. Alicia y Benito son los nombres convencionales de los experimentadores que trabajan con las partículas A y B. Cuando Alicia mide el espín de su partícula o la polarización de su fotón a lo largo de la dirección escogida por ella, no puede predecir cuál de los resultados posibles va a obtener. Pero cuando lleva a cabo su medida, la partícula o el fotón de Benito adopta indefectiblemente un estado determinado: el espín opuesto a lo largo de esa dirección o, en el caso de un fotón, la misma dirección de polarización. Solo después —utilizando un método convencional de información, y por tanto una velocidad infralumínica— pueden Alicia y Benito constatar la coincidencia de sus resultados. El entrelazamiento es un fenómeno aún más espectacular que la superposición. Desmorona la noción corriente de separación espacial. Puede describirse como un principio de superposición que involucra a dos o más partículas, consideradas un sistema.

Este mysterium tremendum et fascinans ha generado innumerables argumentos de ciencia ficción y dado pie a hipótesis delirantes. Incluso en el campo científico, se han acuñado explicaciones cuando menos curiosas. Las hay difícilmente sostenibles, como la transmisión de información a velocidades mayores que la de la luz; hasta surgen juegos de palabras, como el que salomónicamente corta en dos el sintagma realismo local para defender que el mundo podría ser local si viola el realismo. Otras rozan el límite de la fantasía, al no ser verificables ni falsables.

Luego están las teorías que buscan establecer puentes entre entrelazamiento y relatividad especial. Hay quienes, como Abner Shimony, creen en una coexistencia pacífica entre ambos. Se basan en que, estrictamente hablando, el entrelazamiento no transgrede la relatividad especial si no pueden enviarse mensajes supralumínicos. Él lo define como una «pasión a distancia». Pero otros, y esa era la convicción del mismo John Bell, piensan que el espíritu de la teoría sí es quebrantado, ya que algo en efecto viaja entre dos partículas, y lo hace de forma instantánea. Y están las que cortan por lo sano, así el argumento de Yanhua Shih en Entrelazamiento cuántico. «Los dos o más entes entrelazados son realmente partes de un sistema, y este no es afectado por la distancia física entre sus componentes. El sistema actúa como un ente único». A cada cual corresponde decidir si estamos ante una posible solución de la dificultad o ante su mera negación.

Ahora veamos algunas precisiones terminológicas. En cuanto a la no-localidad, ya se han aportado suficientes testimonios, pero añadamos un par de frases de fuentes tan fiables como Nature o Science. «El mundo físico real no es local», dice una. «Esta no-localidad va contra la intuición», afirma la otra. Y así podríamos seguir indefinidamente. Por otro lado, conviene dejar constancia de que «la física cuántica es contraintuitiva, los fenómenos que observamos en nuestros laboratorios son difíciles de describir, son fenómenos que retan nuestra intuición». Son palabras de Lee Smolin, adalid de la gravedad cuántica de bucles, uno de los principales intentos de unificar relatividad y mecánica cuántica. Datan de 2019. Se trata, por cierto, de alguien que considera insuficientemente completa la teoría cuántica. Es además, y con toda la razón, un crítico incansable de cualquier tipo de misticismo cuántico. Podrían traerse a colación muchas declaraciones de científicos prominentes, pero esta zanja la cuestión de modo claro y expeditivo. Por supuesto, siempre habrá espíritus fuertes dispuestos a preguntarse qué sabrán sobre estos temas los físicos más relevantes de nuestros días.

El estudio del entrelazamiento cuántico tiene una historia larga y fecunda. Es una muestra espléndida de la grandeza de la ciencia, que «no pretende establecer verdades inmutables y dogmas eternos; su propósito es acercarse a la verdad mediante sucesivas aproximaciones, sin afirmar en ningún momento haber alcanzado una precisión definitiva» (Bertrand Russell). Algún erudito a la violeta debería aprender de la humildad de los verdaderos sabios que en el mundo han sido y son. Quienes practican esta hermosa forma de conocimiento son conscientes de que «lo que sabemos es una gota de agua, lo que ignoramos es el océano» (Isaac Newton). Pero ese saber no es nunca un ornamento vacuo, pues como afirmó la malograda Rosalind Franklin, «la ciencia y la vida cotidiana ni se pueden ni se deben separar».

El científico permanece atento a la posibilidad de tener que modificar sus convicciones. «La ciencia avanza mejor cuando las observaciones nos obligan a cambiar nuestras ideas preconcebidas» (Vera Rubin). La fascinación ante el enigma es un acicate para trabajar duramente en que deje de serlo. «La cosa más bella que podemos experimentar es el misterio. Es la fuente de toda ciencia y arte verdaderos» (Albert Einstein). El rigor y la solidez de la lógica científica son incompatibles con la charlatanería y el narcisismo. Dispone de una prueba crucial para detectar afirmaciones falsas: «No importa lo bonita que sea tu teoría. No importa lo listo que seas. Si no concuerda con el experimento, está equivocada» (Richard Feynman).

La ciencia, saber auténtico, no admite componendas, tergiversaciones o caprichos. «A cambio de su belleza, franqueza y efectividad para la mejora de la condición humana, exige un precio terrible: que aceptemos lo que los experimentos nos dicen sobre el universo, nos guste o no» (David Brin). Esta actitud es la opuesta a empeñarse en retorcer migajas de saber para hacerlas coincidir con los propios prejuicios o las ideas preconcebidas. «Tortura los datos y te confesarán lo que sea» (Ronald Coase). Pero por más esfuerzos que hagan algunos, «nuestras preferencias no determinan lo que es verdad» (Carl Sagan).

La ciencia no confunde saber y creencia. Se une a la voz de Hamlet para declarar que «there are more things in heaven and earth, Horatio,/ than are dreamt of in your philosophy». Y a desentrañarlas se aplica. Es consciente de que «el mayor enemigo del conocimiento no es la ignorancia, sino la ilusión de conocimiento» (Daniel Boorstin). Sin embargo, en esta era de IA y motores de búsqueda sofisticados abundan los ejemplos de libro del efecto Dunning-Kruger en su versión más descarnada. Deberían hacer caso de los sabios consejos de Sem Tob de Carrión en sus Proverbios morales:

Conoçe tu medida
E nunca errarás,
E en toda tu vida
Sobervia non farás

(Copla 313)

Quien mucho quier’ fablar
Sin gran sabiduría
Çierto en se callar
Mejor barataría

(Copla 569)

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Antonio Monterrubio Prada nació en una aldea de las montañas de Sanabria y ha residido casi siempre en Zamora. Formado en la Universidad de Salamanca, ha dedicado varias décadas a la enseñanza. Recientemente se ha publicado en un volumen la trilogía de La verdad del cuentista (La verdad del cuentista, Almacén de ambigüedades y Laberinto con vistas) en la editorial Semuret.