La mecánica cuántica, la teoría que rige el micromundo de los átomos y las partículas, ciertamente tiene el factor X. A diferencia de muchas otras áreas de la física, es extraña y contradictoria, lo que la hace deslumbrante e intrigante. Cuando el Premio Nobel de Física de 2022 fue otorgado a Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger por una investigación que arrojó luz sobre la mecánica cuántica, generó entusiasmo y debate.
Pero los debates sobre la mecánica cuántica (ya sea en foros de chat, en los medios de comunicación o en la ciencia ficción) a menudo pueden volverse confusos gracias a una serie de mitos y conceptos erróneos persistentes. Aquí hay cuatro.
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Erwin Schrödinger probablemente nunca hubiera podido predecir que su experimento mental, el gato de Schrödinger, alcanzaría el estatus de meme de Internet en el siglo XXI.
Sugiere que un felino desafortunado atrapado en una caja con un interruptor de apagado activado por un evento cuántico aleatorio (la desintegración radiactiva, por ejemplo) podría estar vivo y muerto al mismo tiempo, siempre y cuando no abramos la caja para comprobarlo.
Hace tiempo que sabemos que las partículas cuánticas pueden estar en dos estados (por ejemplo, en dos ubicaciones) al mismo tiempo. A esto lo llamamos superposición.
Los científicos han podido demostrarlo en el famoso experimento de la doble rendija, en el que una única partícula cuántica, como un fotón o un electrón, puede atravesar dos rendijas diferentes de una pared simultáneamente. ¿Cómo sabemos eso?
En física cuántica, el estado de cada partícula es también una onda. Pero cuando enviamos una corriente de fotones, uno por uno, a través de las rendijas, se crea un patrón de dos ondas que interfieren entre sí en una pantalla detrás de la rendija. Como cada fotón no tenía otros fotones con los que interferir cuando atravesó las rendijas, significa que debe haber atravesado simultáneamente ambas rendijas, interfiriendo consigo mismo (imagen a continuación).
Sin embargo, para que esto funcione, los estados (ondas) en la superposición de la partícula que pasa por ambas rendijas deben ser "coherentes", es decir, tener una relación bien definida entre sí.
Estos experimentos de superposición se pueden realizar con objetos de tamaño y complejidad cada vez mayores. Un famoso experimento realizado por Anton Zeilinger en 1999 demostró la superposición cuántica con grandes moléculas de carbono 60 conocidas como "buckybolas".
Entonces, ¿qué significa esto para nuestro pobre gato? ¿Está realmente vivo y muerto mientras no abramos la caja? Obviamente, un gato no se parece en nada a un fotón individual en un entorno de laboratorio controlado:es mucho más grande y complejo. Cualquier coherencia que puedan tener entre sí los billones y billones de átomos que componen el gato es extremadamente efímera.
Esto no significa que la coherencia cuántica sea imposible en los sistemas biológicos, sólo que generalmente no se aplica a criaturas grandes como los gatos o los humanos.
El entrelazamiento es una propiedad cuántica que une dos partículas diferentes de modo que si mides una, sabes automática e instantáneamente el estado de la otra, sin importar qué tan lejos estén.
Las explicaciones más comunes suelen implicar objetos cotidianos de nuestro mundo macroscópico clásico, como dados, cartas o incluso pares de calcetines de colores extraños. Por ejemplo, imagina que le cuentas a tu amigo que has colocado una tarjeta azul en un sobre y una tarjeta naranja en otro. Si tu amigo se lleva, abre uno de los sobres y encuentra la tarjeta azul, sabrá que tienes la tarjeta naranja.
Pero para entender la mecánica cuántica, hay que imaginar que las dos tarjetas dentro de los sobres están en una superposición conjunta, lo que significa que son naranja y azul al mismo tiempo (específicamente naranja/azul y azul/naranja). Al abrir un sobre se revela un color determinado al azar. Pero abrir la segunda siempre revela el color opuesto porque está "espeluznantemente" vinculado a la primera carta.
Se podría forzar que las tarjetas aparezcan en un conjunto diferente de colores, similar a realizar otro tipo de medición. Podríamos abrir un sobre preguntando:"¿Eres tarjeta verde o roja?" La respuesta volvería a ser aleatoria:verde o rojo. Pero lo más importante es que si las cartas estuvieran entrelazadas, la otra carta siempre daría el resultado opuesto cuando se le hiciera la misma pregunta.
Albert Einstein intentó explicar esto con la intuición clásica, sugiriendo que las tarjetas podrían haber estado provistas de un conjunto de instrucciones internas ocultas que les decía de qué color aparecer ante una determinada pregunta. También rechazó la aparente acción "espeluznante" entre las cartas que aparentemente les permite influirse instantáneamente entre sí, lo que significaría una comunicación más rápida que la velocidad de la luz, algo prohibido por las teorías de Einstein.
Sin embargo, la explicación de Einstein fue posteriormente descartada por el teorema de Bell (una prueba teórica creada por el físico John Stewart Bell) y los experimentos de los premios Nobel de 2022. La idea de que medir una carta enredada cambia el estado de la otra no es cierta. Las partículas cuánticas simplemente están misteriosamente correlacionadas de maneras que no podemos describir con la lógica o el lenguaje cotidiano:no se comunican y al mismo tiempo contienen un código oculto, como había pensado Einstein. Así que olvídate de los objetos cotidianos cuando pienses en enredos.
A menudo se dice que el teorema de Bell demuestra que la naturaleza no es "local", que un objeto no está directamente influenciado por su entorno inmediato. Otra interpretación común es que implica que las propiedades de los objetos cuánticos no son "reales", que no existen antes de la medición.
Pero el teorema de Bell sólo nos permite decir que la física cuántica significa que la naturaleza no es real y local si asumimos algunas otras cosas al mismo tiempo. Estos supuestos incluyen la idea de que las mediciones sólo tienen un resultado único (y no múltiples, tal vez en mundos paralelos), que la causa y el efecto fluyen en el tiempo y que no vivimos en un "universo mecánico" en el que todo ha sido predeterminado. desde los albores de los tiempos.
A pesar del teorema de Bell, la naturaleza bien puede ser real y local, si se tienen en cuenta algunas otras cosas que consideramos de sentido común, como el avance del tiempo. Y es de esperar que futuras investigaciones reduzcan el gran número de posibles interpretaciones de la mecánica cuántica. Sin embargo, la mayoría de las opciones sobre la mesa (por ejemplo, el tiempo que fluye hacia atrás o la ausencia de libre albedrío) son al menos tan absurdas como renunciar al concepto de realidad local.
Una cita clásica (atribuida al físico Richard Feynman, pero en esta forma también parafraseando a Niels Bohr) supone:"Si crees que entiendes la mecánica cuántica, no la entiendes".
Esta opinión es ampliamente compartida en público. Se supone que la física cuántica es imposible de entender, incluso para los físicos. Pero desde una perspectiva del siglo XXI, la física cuántica no es ni matemática ni conceptualmente particularmente difícil para los científicos. Lo entendemos extremadamente bien, hasta el punto de que podemos predecir fenómenos cuánticos con alta precisión, simular sistemas cuánticos altamente complejos e incluso comenzar a construir computadoras cuánticas.
La superposición y el entrelazamiento, cuando se explican en el lenguaje de la información cuántica, no requieren más que matemáticas de secundaria. El teorema de Bell no requiere ninguna física cuántica. Se puede derivar en unas pocas líneas utilizando la teoría de la probabilidad y el álgebra lineal.
Quizás la verdadera dificultad resida en cómo reconciliar la física cuántica con nuestra realidad intuitiva. No tener todas las respuestas no nos impedirá seguir avanzando con la tecnología cuántica. Simplemente podemos callarnos y calcular.
Afortunadamente para la humanidad, los premios Nobel Aspect, Clauser y Zeilinger se negaron a callarse y siguieron preguntando por qué. Otros como ellos podrían algún día ayudar a reconciliar la rareza cuántica con nuestra experiencia de la realidad.
Alessandro Fedrizzi es profesor de física en la Universidad Heriot-Watt. Recibe financiación del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido (EPSRC).
Mehul Malik es profesor de física en la Universidad Heriot-Watt. Recibe financiación del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido (EPSRC) y del Consejo Europeo de Investigación (ERC) Starting Grant PIQUaNT.
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