El Premio Nobel de física de este año ha sido otorgado "por experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica".

Para comprender qué significa esto y por qué este trabajo es importante, debemos comprender cómo estos experimentos resolvieron un debate de larga data entre los físicos. Y un jugador clave en ese debate fue un físico irlandés llamado John Bell.

En la década de 1960, Bell descubrió cómo traducir una pregunta filosófica sobre la naturaleza de la realidad en una pregunta física que pudiera ser respondida por la ciencia, y en el camino rompió la distinción entre lo que sabemos sobre el mundo y cómo es el mundo realmente .

Entrelazamiento cuántico

Sabemos que los objetos cuánticos tienen propiedades que normalmente no atribuimos a los objetos de nuestra vida ordinaria. A veces la luz es una onda, a veces es una partícula. Nuestro frigorífico nunca hace esto.

Cuando intentamos explicar este tipo de comportamiento inusual, podemos imaginar dos tipos generales de explicación. Una posibilidad es que percibamos el mundo cuántico claramente, tal como es, y resulta que es inusual. Otra posibilidad es que el mundo cuántico sea como el mundo ordinario que conocemos y amamos, pero nuestra visión de él está distorsionada, por lo que no podemos ver la realidad cuántica claramente, tal como es.

En las primeras décadas del siglo XX, los físicos estaban divididos sobre qué explicación era la correcta. Entre los que pensaron que el mundo cuántico es simplemente inusual se encontraban figuras como Werner Heisenberg y Niels Bohr. Entre aquellos que pensaron que el mundo cuántico debe ser como el mundo ordinario, y nuestra visión de él es simplemente confusa, estaban Albert Einstein y Erwin Schrödinger.

En el centro de esta división se encuentra una predicción inusual de la teoría cuántica. Según la teoría, las propiedades de ciertos sistemas cuánticos que interactúan siguen dependiendo unas de otras, incluso cuando los sistemas se han separado una gran distancia.

En 1935, el mismo año en que ideó su famoso experimento mental con un gato atrapado en una caja, Schrödinger acuñó el término "enredo" para este fenómeno. Argumentó que es absurdo creer que el mundo funciona de esta manera.

El problema del enredo

Si los sistemas cuánticos entrelazados realmente permanecen conectados incluso cuando están separados por grandes distancias, parecería que de alguna manera se están comunicando entre sí instantáneamente. Pero este tipo de conexión no está permitida, según la teoría de la relatividad de Einstein. Einstein llamó a esta idea "acción espeluznante a distancia".

Nuevamente en 1935, Einstein, junto con dos colegas, ideó un experimento mental que demostró que la mecánica cuántica no puede contarnos toda la historia sobre el entrelazamiento. Pensaron que debe haber algo más en el mundo que aún no podemos ver.

Pero con el paso del tiempo, la cuestión de cómo interpretar la teoría cuántica se convirtió en una nota al pie de página académica. La pregunta parecía demasiado filosófica y, en la década de 1940, muchas de las mentes más brillantes de la física cuántica estaban ocupadas usando la teoría para un proyecto muy práctico:construir la bomba atómica.

No fue hasta la década de 1960, cuando el físico irlandés John Bell se centró en el problema del entrelazamiento, que la comunidad científica se dio cuenta de que esta pregunta aparentemente filosófica podía tener una respuesta tangible.

Teorema de Bell

Usando un sistema entrelazado simple, Bell amplió el experimento mental de Einstein de 1935. Demostró que no había manera de que la descripción cuántica pudiera estar incompleta mientras prohibía la "acción espeluznante a distancia" y aun así coincidía con las predicciones de la teoría cuántica.

No parece una gran noticia para Einstein. Pero esto no fue una victoria instantánea para sus oponentes.

Esto se debe a que en la década de 1960 no era evidente si las predicciones de la teoría cuántica eran realmente correctas. Para probar realmente el punto de Bell, alguien tenía que someter a prueba experimental este argumento filosófico sobre la realidad, transformada en un sistema físico real.

Y aquí, por supuesto, es donde dos de los premios Nobel de este año entran en la historia. Primero John Clauser, y luego Alain Aspect, realizaron los experimentos en el sistema propuesto por Bell que finalmente demostraron que las predicciones de la mecánica cuántica eran precisas. Como resultado, a menos que aceptemos "acción espeluznante a distancia", no hay más explicaciones de sistemas cuánticos entrelazados que puedan describir el mundo cuántico observado.

Entonces, ¿Einstein estaba equivocado?

Quizás sea una sorpresa, pero estos avances en la teoría cuántica parecen haber demostrado que Einstein estaba equivocado en este punto. Es decir, parece que no tenemos una visión borrosa de un mundo cuántico que es como nuestro mundo ordinario.

Pero la idea de que percibimos claramente un mundo cuántico intrínsecamente inusual es también demasiado simplista. Y esto proporciona una de las lecciones filosóficas clave de este episodio de la física cuántica.

Ya no está claro que podamos hablar razonablemente sobre el mundo cuántico más allá de nuestra descripción científica del mismo, es decir, más allá de la información. tenemos al respecto.

Como dijo el tercer premio Nobel de este año, Anton Zeilinger:"La distinción entre la realidad y nuestro conocimiento de la realidad, entre la realidad y la información, no se puede hacer. No hay manera de referirse a la realidad sin usar la información que tenemos sobre ella. "

Esta distinción, que comúnmente suponemos que sustenta nuestra imagen ordinaria del mundo, ahora es irremediablemente borrosa. Y tenemos que agradecer a John Bell.

Sin embargo, escuchémoslo de John Bell. Me refiero a Cristo, de verdad. Fue gracias a él que los fundamentos cuánticos se convirtieron en física experimental y no en filosofía. (Nada en contra de la filosofía, pero a veces es bueno obtener respuestas).

— Philip Ball (@philipcball) 4 de octubre de 2022