¿Tenemos libertad de elección o nuestras decisiones están predeterminadas? ¿Es la realidad física local? ¿O lo que hacemos aquí y ahora tiene una influencia inmediata en los eventos en otros lugares? Los físicos buscan las respuestas a estas preguntas en las desigualdades de Bell. Resulta que la libre elección y el realismo local pueden medirse y compararse hábilmente. Los resultados obtenidos revelan sorprendentes relaciones de carácter fundamental y universal, yendo mucho más allá de la propia mecánica cuántica.

Causalidad, localidad, y la libre elección se relacionan mediante unas pocas fórmulas sencillas conocidas como desigualdades de Bell. Los experimentos sofisticados en óptica cuántica durante las últimas décadas han demostrado sin lugar a dudas que estas desigualdades se han roto. Hoy dia, Los físicos se enfrentan a un dilema:¿deberíamos aceptar una visión del mundo real en la que cuestionamos la suposición sobre la libre elección del experimentador? ¿O rechazar el supuesto de localidad de los experimentos? Científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia (IFJ PAN), la Universidad Británica de la Ciudad de Londres (CUL) y la Technische Hochschule Mittelhessen alemana en Giessen (THM) se han enfrentado a este problema. Los resultados de su investigación, que van mucho más allá de la física, se comentan en un artículo recién publicado en el prestigioso procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

"El realismo es un concepto físico en el que describimos el mundo en términos de relaciones de causa y efecto. Localidad significa que las acciones no pueden diseminarse instantáneamente. Entonces, si la realidad física debe cumplir con los requisitos del realismo local, el resultado del experimento estará influenciado solo por lo que está en su vecindad inmediata, y no por lo que está pasando ahora mismo en una galaxia lejana, "explica el Dr. Pawel Blasiak, el primer autor del artículo.

Libre elección, un concepto aparentemente típicamente filosófico, también puede tratarse como un problema físico o incluso matemático. En este enfoque, la libre elección se refiere a las variables que describen los parámetros de un experimento, es decir, lo que medimos en el laboratorio. Suponemos que podemos elegir estas variables libremente, independientemente de lo que haya sucedido en el pasado.

Como parte de una visión del mundo en la que se aplican el realismo local y la libre elección, se pueden derivar las desigualdades de Bell y luego realizar un experimento para verificarlas. Las ideas principales se pueden ilustrar de la siguiente manera. Alice y Bob trabajan en laboratorios en extremos opuestos de la galaxia. Un día, cada uno de ellos recibe una caja. Colocan las cajas en sus mesas y en cierto punto, ábrelos con cuidado. Una moneda girando sale de la caja, que cada uno de los experimentadores presiona sobre la mesa con sus palmas. Alice y Bob ahora notan si la moneda ha caído cara o cruz. Pronto, Llegan más envíos similares. Después de un tiempo, Alice y Bob tienen una larga lista de observaciones en las que presionan las monedas de varias formas. Ninguno ve nada inusual en sus datos:caras y cruces aparecen en sus listas de forma puramente aleatoria.

La situación cambia drásticamente cuando Alice y Bob se encuentran en el Congreso de Ciencia Intergaláctica. Comparan sus datos y de repente resulta que en las mismas observaciones, cuando la moneda de Alice aterrizó con la cola hacia arriba, La moneda de Bob siempre aterrizaba cara arriba y viceversa. Entonces, ambos asumen que no es una coincidencia y que las correlaciones que observan deben atribuirse a alguna causa común que acecha en el pasado de ambos objetos enviados desde la misma fuente. El misterioso remitente de las cajas podría simplemente haber instruido a cada moneda sobre cómo aterrizar cuando se presiona contra la mesa de una manera determinada. Si eso fuera realmente así, Alice y Bob pudieron adivinar esta instrucción y anunciar un descubrimiento espectacular. Desafortunadamente, ¡sus esfuerzos fracasan!

Desesperado, Alice y Bob le piden ayuda al genio teórico John. Primero pregunta qué suposiciones han adoptado los dos científicos en su trabajo como verdaderas y ciertas. "Creemos que las correlaciones que observamos deben ser explicadas por una serie de causas y efectos que se propagan en el tiempo, "dice Alice. Bob aclara, "También pensamos que ninguna causa afecta inmediatamente al experimento si está lo suficientemente lejos del laboratorio". Ambos creen firmemente que la forma en que abren las cajas no se les impone de ninguna manera y están absolutamente convencidos de que son ellos quienes toman la decisión sobre cómo presionar la moneda. Para su gran sorpresa, John explica con calma que todas estas suposiciones no pueden conciliarse con las correlaciones que observan.

De hecho, Las desigualdades de Bell fueron descubiertas por el físico norirlandés John Stewart Bell en 1964. Se inspiró en el famoso problema de "acción-espeluznante-a-distancia", planteado por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935. En experimentos físicos, donde el papel de las monedas lo juegan los fotones y las caras y las colas son sus polarizaciones observadas en varias direcciones, De hecho, estas desigualdades se han roto. Física contemporánea, por lo tanto, tiene un dilema fundamental:¿es mejor abandonar la idea del realismo local, ¿O quizás cuestionar la libre elección de los científicos? Pocos físicos están dispuestos a cuestionar el realismo que presupone una causalidad en línea con la flecha del tiempo. Entonces, o algo "no está del todo bien" con la suposición del realismo local o con la libre elección de los experimentadores.

"El hecho de que la realidad esté rompiendo la desigualdad de Bell nos incita a hacernos preguntas intrigantes. Por ejemplo:con qué frecuencia, manteniendo plena localidad, ¿Tendríamos que romper la libre elección para recrear las correlaciones observadas en los experimentos? Con cada medida, la mayor parte del tiempo ¿O tal vez solo a veces? Similar, si conservamos el libre albedrío, ¿Con qué frecuencia tendríamos que romper la localidad? ", se pregunta el Dr. Blasiak.

Los resultados de la investigación del grupo polaco-británico-alemán aportan una respuesta sorprendente. Resulta que para recrear las correlaciones registradas, mientras se mantiene la libertad de elección, la localidad debe romperse con la misma frecuencia que la libertad de elección mientras se mantiene la localidad. Por alguna (desconocida) razón, la naturaleza no favorece en lo más mínimo la localidad ni la libre elección.

Los científicos lograron derivar fórmulas para calcular la frecuencia con la que Alice y Bob tendrían que romper la localidad o la libre elección para recrear las correlaciones observadas (en mecánica cuántica y no solo). En particular, resulta que el formalismo de la mecánica cuántica obliga a que con el máximo entrelazamiento entre fotones, con cada medición se produce la ruptura de la localidad o la libre elección (que generaliza los resultados anteriores sobre la localidad misma).

"Lo más interesante es que el teorema de Bell no es un enunciado de la mecánica cuántica en absoluto, sino de la teoría de la probabilidad, por lo que tiene un carácter universal. Los teoremas probados por nosotros tampoco se limitan a la física cuántica en sí, pero se aplican a todas las situaciones que se ocupan de correlaciones relativas a sistemas separables, "enfatiza el Dr. Blasiak.

"Aparte de la física en sentido estricto, la ruptura de la localidad o la libre elección no tiene por qué ser dramática. En la investigación sobre el comportamiento humano, Bastaría con que Alice susurrara algo a Bob para violar la localidad, "señala el profesor Emmanuel Pothos, psicólogo en CUL. Otro ejemplo lo da el profesor Christoph Gallus, economista de THM:"Si Alice y Bob son actores en el mercado de valores, sus elecciones pueden correlacionarse simplemente usando cierta información pública ".

La universalidad de las dependencias encontradas abre la puerta a aplicaciones muy prácticas, como el estudio de los mecanismos de flujo de información en sistemas complejos. Vale la pena enfatizar que la naturaleza general de este tipo de consideraciones proviene de la naturaleza misma de la pregunta sobre las causas de las correlaciones observadas. que es fundamental y común a toda la ciencia.