El entrelazamiento, al igual que muchos otros efectos cuánticos, viola algunas de nuestras intuiciones más profundas sobre el mundo. También podrían minar la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein.
Nuestra intuición, yendo hacia atrás en el tiempo, es que para mover, digamos, una roca, se tiene que tocar la roca, o tocar un palo que toque la roca, o dar una orden que viaja a través de vibraciones a través del aire a la oreja de un hombre con un palo que pueda empujar la roca — o alguna secuencia similar. Esta intuición, más generalmente, es que las cosas sólo pueden afectar a otras cosas que están cerca de ellas. Si A afecta a B sin estar justo a su lado, entonces el efecto en cuestión debe ser indirecto — el efecto en cuestión debe ser algo que se transmite a través de una cadena de eventos en el cual cada evento te lleva al siguiente de forma directa, de forma que suavemente cubras la distancia de A a B. Cada vez que pienso que podemos llegar a una excepción de esta intuición — digamos, accionar un interruptor que encienda las luces de la luz (pero entonces nos damos cuenta de que esto sucede a través de cables) o escuchar la emisión de radio de la BBC (pero nos damos cuenta de que las ondas de radio se propagan a través del aire) — resulta que no tenemos, de hecho, ninguna excepción. No, por supuesto, en nuestra experiencia cotidiana del mundo.
Llamamos a esta intuición “localidad”.
La Mecánica Cuántica ha puesto patas arriba muchas de nuestras intuiciones, pero ninguna tan profunda como ésta. Y este vuelco particular lleva consigo una amenaza, aún sin resolver, para la relatividad especial — una piedra angular de la física del siglo XXI.
La cosa del espacio exterior
Vamos a dar un echar la vista un poco atrás. Antes de la llegada de la Mecánica Cuántica, y ni siquiera de los mismos inicios de la investigación científica de la naturaleza, los eruditos pensaban que una descripción completa del mundo físico podría, en principio, darse describiendo uno a uno cada uno de los constituyentes físicos más pequeños y elementales del mundo. Toda la historia del mundo podría expresarse como la suma de las historias de los constituyentes.
La Mecánica Cuántica viola esta creencia.
Las características físicas reales y medibles de los grupos de partículas pueden, de una forma perfectamente concreta, superar o eludir o no tener nada que ver con la suma de las características de las partículas individuales. Por ejemplo, de acuerdo con la Mecánica Cuántica se pueden colocar un par de partículas de forma que estén separadas exactamente medio metro y aún así que nunca de las dos partículas en sí tenga una posición definida. Además, la aproximación estándar a la comprensión de la física cuántica, la conocida como interpretación de Copenhague — proclamada por el gran físico danés Niels Bohr a principios del pasado siglo y transmitida de profesor a alumno durante generaciones — insiste en que en que no es que no conozcamos hechos sobre la situación exacta de las partículas individuales; es que simplemente no existen tales hechos. Preguntarse por la posición de una partícula aislada sería algo con tan poco sentido como, digamos, preguntar por el estado conyugal del número cinco. El problema no es epistemológico (sobre lo que sabemos) sino ontológico (sobre lo que es).
Los físicos dicen que las partículas que se relacionan de esta forma están entrelazadas de forma mecánico cuántica una con otra. La propiedad del entrelazamiento no necesita de una posición: Dos partículas podrían girar de forma distinta, una en sentido horario y otra antihorario. O exactamente una de las partículas podría ser excitada, pero la otra no. El entrelazamiento puede conectar partículas independientemente de dónde están, qué son y qué fuerzas ejercen unas sobre otras — en principio, podrían ser perfectamente un electrón y un neutrón en lados opuestos de la galaxia. Por tanto, el entrelazamiento es un tipo de relación íntima entre la materia nunca antes soñada.
El entrelazamiento está detrás de nuevos y extraordinariamente prometedores campos de la computación cuántica y la criptografía cuántica, que podrían proporcionar la capacidad de resolver ciertos problemas que están más allá del rango práctico de un ordenador común y la capacidad de comunicarse con una seguridad garantizada a salvo de fisgones.
Pero el entrelazamiento también parece acarrear el fenómeno profundamente fantasmal y radicalmente contrario a la intuición conocido como no localidad — la posibilidad de afectar físicamente a algo sin tocarlo o sin tocar una serie de entidades que lleguen a él. La no localidad implica que un puño en Des Moines puede romper una nariz en Dallas sin afectar a ninguna otra cosa física (ni una molécula de aire, ni un electrón en un cable, ni un parpadeo de luz) en algún punto intermedio.
La mayor preocupación sobre la no localidad, aparte de su sobrecogedora extrañeza intrínseca, ha sido que supone una profunda amenaza para la relatividad especial tal y como la conocemos. En los últimos años, esta vieja preocupación — que finalmente logró que se le permitiera su entrada a la casa de las ideas serias sobre la física — se ha convertido en la pieza central de debates que finalmente desmantelan, distorsionan, re-imaginan, solidifican o siembran el decaimiento en las mismas bases de la física.
Revisiones radicales de la realidad
Albert Einstein tenía un incontable número de preocupaciones sobre la Mecánica Cuántica. La preocupación a menudo citada sobre su incertidumbre (”Dios no juega a los dados”) era sólo una. Pero la única objeción que articuló formalmente, la única que le llevó a escribir un artículo sobre el tema, estaba relacionada con la extrañeza del entrelazamiento mecánico cuántico. Esta objeción está en el corazón de lo que se conoce como el argumento EPR, llamado así por sus tres autores, Einstein y sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen. En su artículo de 1935 “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”, responden a su propia pregunta con un perfectamente razonado “no.”
Su argumento hace un uso crucial de una instrucción particular de la receta mecánico cuántica, o algoritmo matemático, para predecir las salidas de los experimentos. Supón que medimos la posición de una partícula que está entrelazada mecánico cuánticamente con una segunda partícula — por lo que ninguna de ellas tiene una posición precisa, como mencionamos anteriormente. Naturalmente, cuando miramos la salida de la medida, cambiamos nuestra descripción de la primera partícula debido a que conocemos dónde estaba en ese momento. Pero el algoritmo también nos obliga a alterar nuestra descripción de la segunda partícula y a hacerlo de forma instantánea, no importa cómo de lejos esté o lo que pueda haber entre ambas partículas.
El entrelazamiento fue un hecho irrefutable de la descripción del mundo de la Mecánica Cuántica presentada a las físicos, pero fue un hecho cuyas implicaciones sobre las que nadie antes de Einstein había pensado mucho. Él vio en el entrelazamiento algo que no era simplemente extraño, sino dudoso. Le impactó como algo fantasmal. Parecía, en concreto, no local.
Nadie en esa época estaba listo para lidiar con la posibilidad de que hubiese auténticas no localidades físicas en el mundo — ni Einstein, ni Bohr, ni nadie. Einstein, Podolsky y Rosen dieron por sentado en el artículo que la aparente no localidad de la Mecánica Cuántica debía ser sólo aparente, que debe haber algún tipo de anomalía matemática o notación desafortunada o, en alguna medida, que debe ser un artefacto desechable del algoritmo — seguramente se podrían realizar predicciones mecánico cuánticas para experimentos sin la necesidad de dar pasos no locales.
Y en su artículo presentaron un argumento para el efecto de que si (como todo el mundo supuso) no existía ninguna auténtica no localidad física en el mundo y si las predicciones experimentales de la Mecánica Cuántica eran correctas, entonces la Mecánica Cuántica debe tener aspectos del mundo con los que no cuenta. Debe haber partes de la historia del mundo que falla al mencionar.
Bohr respondió al artículo EPR prácticamente al momento. Su carta de respuesta febrilmente compuesta no trató de ninguno de los argumentos científicos concretos del artículo sino que en lugar de eso trató — a veces de una forma opaca y casi jeroglífica — de su uso de la palabra “realidad” y su definición de “elementos de la realidad física”. Charló extensamente sobre la distinción entre sujeto y objeto, sobre las condiciones bajo las cuales tiene sentido hacer preguntas y sobre la naturaleza del lenguaje humano. Lo que la ciencia necesitaba, de acuerdo con Bohr, era una “revisión radical de nuestra actitud con respecto a la realidad física”.
Bohr hizo un gran esfuerzo y estuvo de acuerdo con el artículo EPR en un punto: que por supuesto, no podía haber bajo ningún concepto una no localidad física auténtica. La aparente no localidad, argumentaba, era sólo una razón más por la que debemos abandonar la desfasada y extraña aspiración, como se manifiesta en el artículo EPR, de ser capaces de leer a partir de las ecuaciones de la Mecánica Cuántica una descripción realista del mundo — una descripción de lo que en realidad existe antes de nosotros de un momento a otro. Bohr insistió, en efecto, que no sólo vemos el mundo a través de un oscuro vidrio, sino que esta visión indefinida y ensombrecida es tan real como se puede conseguir.
La respuesta de Bohr fue, curiosamente, filosófica a una preocupación explícitamente científica. Más curiosa aún fue la consagración de la respuesta de Bohr como el evangelio de la física teórica. Gastar más tiempo en estos temas se convertía, por tanto, en apostasía. La comunidad física abandonó de esta forma las viejas aspiraciones de descubrir cómo es en realidad el mundo y durante un largo tiempo quedó relegado a cuestiones metafísicas para la literatura o la fantasía.
Incluso hoy esta parte crucial del legado de Einstein sigue estando en gran parte oscurecido. La biografía de 2007 de Walter Isaacson sobre Einstein, que fue un éxito de ventas, simplemente asegura al lector que las críticas de Einstein sobre la Mecánica Cuántica han sido resueltas desde entones. Y esto no es cierto.
El retorno del reprimido
El primer compromiso científico serio sobre el argumento EPR llegó (tras 30 años de abandono más o menos completo) en un famoso artículo de 1964 escrito por el extraordinario físico irlandés John S. Bell. A partir del trabajo de Bell surgió que Bohr estaba equivocado ya que no había nada incorrecto en su comprensión de la Mecánica Cuántica, y que Einstein también lo estaba sobre lo que estaba mal en la comprensión de Bohr. Entrar en lo que verdaderamente era incorrecto implica abandonar la idea de localidad.
La cuestión clave es si las no localidades al menos parecen estar presentes en el algoritmo de la mecánica cuántica son meramente aparentes o algo más. Bell parece haber sido la primera persona en preguntarse qué significa esta pregunta. ¿Qué es lo que diferencia a las no localidades físicas auténticas de las meramente aparentes? Razonó que si existe un algoritmo manifiesta y completamente local que hacía las mismas predicciones para las salidas de los experimentos que el algoritmo mecánico cuántico, entonces Einstein y Bohr habría estado en lo cierto al descartar las no localidades de la Mecánica Cuántica como un mero artefacto de ese formalismo en particular. Inversamente, si ningún algoritmo podía evitar las no localidades, entonces debe ser un fenómeno físico genuino. Bell analizó entonces un escenario concreto de entrelazamiento y concluyó que no era matemáticamente posible tal algoritmo local.
Y por tanto, el mundo físico es no local. Fin de la discusión.
Esta conclusión lo pone todo patas arriba. Einstein, Bohr y todo el mundo había asumido siempre que cualquier incompatibilidad genuina entre la Mecánica Cuántica y el principio de localidad serían malas noticias para la Mecánica Cuántica. Pero Bell había demostrado que la localidad era incompatible no simplemente con el aparato teórico abstracto de la Mecánica Cuántica, sino con ciertas predicciones empíricas también. Los experimentadores — en particular el trabajo de Alain Aspect del Instituto de óptica en Palaiseau, Francia, y sus colaboradores en 1981 y más tarde — no han dejado dudas sobre que esas predicciones son, efectivamente, correctas. Las malas noticias son, entonces, no para la Mecánica Cuántica, sino para el principio de localidad — y, por tanto, presumiblemente, para la relatividad especial, dado que al menos parece depender de la presuposición de localidad.
El Tour del misterio metafísico
La reacción principal al trabajo de Bell — una que persiste en muchos cuarteles incluso hoy — fue de aún más ofuscación. Bell había demostrado que cualquier teoría capaz de reproducir las predicciones empíricas de la Mecánica Cuántica para pares entrelazados de partículas — incluyendo la propia Mecánica Cuántica — tenía que ser verdaderamente no local físicamente.
Este mensaje ha sido virtualmente ignorado. En lugar de esto, casi todo el mundo dice que Bell demostró que cualquier intento de reemplazar la descripción mecánico cuántica ortodoxa del mundo por alguna más ajustada a nuestras expectativas metafísicas clásicas — cualquier teoría de variable oculta, determinista o filosóficamente realista — tendría que ser no local si pudiese reproducir las predicciones mecánico cuánticas para los sistemas EPR. La gente estaba leyendo el trabajo de Bell como si estuviese a través de un cristal convexo.
Sólo una minoría de físicos logró evitar este malentendido particular y comprender que las demostraciones de Bell y los experimentos de Aspect significaban que se había descubierto que el propio mundo era no local, pero incluso ellos creían que la no localidad en cuestión aquí planteada no suponía una amenaza particular a la relatividad especial.
Esta creencia surge a partir de la idea de que la relatividad especial está inextricablemente ligada con la imposibilidad de transmitir mensajes más rápido que la luz. Después de todo, si la relatividad especial es cierta, se puede argumentar que ningún material que transporta un mensaje puede ser acelerado desde el reposo a velocidades mayores que la de la luz. Y se puede argumentar que un mensaje transmitido más rápidamente que la luz sería, de acuerdo con algunos relojes, un mensaje que llegan antes de ser enviado, liberando potencialmente todas las paradojas de viaje en el tiempo.
Tan atrás en el tiempo como en 1932 el brillante matemático húngaro John von Neumann demostró que la no localidad de la mecánica cuántica no puede nunca ser introducida en un mecanismo para transmitir mensajes de forma instantánea. Durante muchas décadas, virtualmente toda la comunidad física teórica consideró la prueba de von Neumann como la seguridad de que la no localidad mecánico cuántica y la relatividad especial pueden co-existir perfectamente en paz.
Variedades de la experiencia no local
Se necesitaron otros 30 años tras la publicación del artículo de Bell para que los físicos observaran por fin estos temas directamente. La primera discusión clara, sostenida sin errores lógicos e inflexiblemente franca de la no localidad cuántica y la relatividad apareció en 1994, en un libro precisamente con ese título escrito por Tim Maudlin de la Universidad de Rutgers. Su trabajo destaca cómo la compatibilidad de la no localidad y la relatividad especial era una cuestión mucho más sutil de lo que las tradicionales obviedades basadas en los mensajes instantáneos no habrían hecho creer.
El trabajo de Maudlin tuvo lugar contra el telón de fondo de un nuevo y profundo cambio en el entorno intelectual. Desde principio de la década de 1980 en adelante, la fuerza de las convicciones de Bohr — que podría ser una visión realista filosóficamente y no pasada de moda del mundo subatómico — era palpable que empezaba a debilitarse. Para entonces un prometedor número de propuestas científicas concretas parecían proporciona un buen recuento de tal tipo, al menos en la aproximación que rechaza los efectos de la relatividad especial. Estas propuestas incluían la mecánica Bohmiana de David Bohm en Inglaterra (desarrollada a principios de la década de 1950 y una inspiración del trabajo de Bell que de otra forma habría sido ampliamente ignorada) y el modelo GRW de GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini y Tullio Weber en Italia. Las viejas aspiraciones de la física de ser guía de la metafísica, para decirnos literalmente y de forma clara cómo es en realidad el mundo — aspiraciones que habían estado dormidas y olvidadas durante más de 50 años — comenzaban a resucitar lentamente.
El libro de Maudlin se centraba en tres puntos importantes. Primero, la teoría de la relatividad es una afirmación sobre la estructura geométrica del espacio y tiempo. La imposibilidad de transmitir masa o energía o información o influencias causales más rápido que la luz — ninguno de estos requisitos son ni siquiera remotamente, en y por sí mismos, garantía suficiente de que la afirmación de la teoría sobre la geometría es correcta. Por tanto, la prueba de von Neumann sobre la tranmisión del mensaje, en y por sí misma, no nos ofrece un seguro de que la no localidad mecánico cuántica y la relatividad especial pueden co-existir en paz.
Segundo, la verdad de la relatividad especial es (como tema de hecho) perfectamente compatible con una enorme variedad de mecanismos hipotéticos para transmisión de masa y energía e información e influencia casual más rápida que la luz. En la década de 1960, por ejemplo, Gerald Feinberg de Columbia publicó una teoría relativista completamente consistente internamente de una especie hipotética de partículas —taquiones — para los que es imposible físicamente viajar más lento de la velocidad de la luz. Maudlin inventó otros ejemplos.
De esta forma, la mera existencia de no localidad en la mecánica cuántica, en y por sí misma, no significa que la mecánica cuántica no pueda co-existir con la relatividad especial. Por lo que tal vez haya esperanza.
Como enfatiza Maudlin en su tercer punto, no obstante, la particular variedad de acción a distancia que encontramos en la Mecánica Cuántica es completamente diferente del tipo ejemplificado por los taquiones de Feinberg u otros ejemplos de Maudlin. Lo que extraño sobre la forma en que las partículas mecánico-cuánticas pueden influir de forma no local entre sí es que no depende de configuraciones espaciales de las partículas o de sus características físicas intrínsecas — como se alude en todas las influencias relativistas en los párrafos anteriores — sino sólo en su las partículas en cuestión están o no entrelazadas mecánico cuánticamente entre sí.
El tipo de no localidad que se encuentra en la Mecánica Cuántica parece evocar una simultaneidad absoluta, lo cual supondría una real y ominosa amenaza a la relatividad especial.
Ahí está el problema.
¿Esperanza para la relatividad especial?
Dos nuevos resultados — tirando curiosamente en distintas direcciones — han surgido a partir de esta discusión en los últimos años. El primero sugiere una forma de no localidad mecánico cuántica que podría ser compatible con la relatividad especial; el otro revela un nuevo golpe que la Mecánica Cuántica y la relatividad especial lanzan contra nuestras intuición más profunda del mundo.
El primer resultado aparece en un asombroso artículo de 2006 de Roderich Tumulka, un joven matemático alemán ahora en Rutgers. Tumulka demostró cómo todas las predicciones empíricas de la Mecánica Cuántica para pares de partículas entrelazadas podían reproducirse mediante una inteligente modificación de la teoría GRW (recuerda que esta teoría propone una forma filosóficamente realista de lograr predicciones de la Mecánica Cuántica bajo muchas circunstancias). La modificación en son local, y por tanto aún es totalmente compatible con la geometría del espacio-tiempo de la relatividad especial.
Este trabajo aún está en pañales. Nadie ha sido aún capaz de escribir una versión satisfactoria de la teoría de Tumulka que pueda ser aplicada a partículas que se atraen y repelen entre sí. Además, su teoría introduce una nueva variedad de no localidad en las leyes de la naturaleza — una no localidad no simplemente espacial, ¡sino temporal! Para usar su teoría para determinar las probabilidades de qué pasará a continuación, se debe introducir no sólo el estado físico completo actual del mundo (como es tradicional en una teoría física) sino también ciertos hechos del pasado. Tal característica y algunas otras son preocupantes, pero Tumulka ciertamente ha despejado parte de los temores de Maudlin sobre que la no localidad mecánico cuántica no puede hacerse co-existir amistosamente con la relatividad especial.
El otro resultado reciente, descubierto por uno de nosotros (Albert), demostró que combinar la Mecánica Cuántica y la relatividad especial requiere que abandonemos algunas de nuestras convicciones primordiales. Creemos que todo lo que hay que decir sobre el mundo puede, en principio, ponerse en forma de narración, o historia. O, de una forma más precisa en términos técnicos: todo lo que puede decirse puede empaquetarse en un conjunto infinito de proporciones de la forma “en t1 esta es la condición física exacta del mundo”, etcétera. Pero el fenómeno del entrelazamiento mecánico cuántico y la geometría del espacio-tiempo de la relatividad especial — los dos juntos – implican que la historia física del mundo es infinitamente más rica que eso.
El problema es que la relatividad especial tiende a mezclar espacio y tiempo de una forma que transforma el entrelazamiento mecánico cuántico entre los distintos sistemas físicos en algo a lo largo de las líneas de un entrelazamiento entre situaciones físicos en distintos momentos — algo que de una forma perfectamente concreta supera o esquita o nada tiene que ver con la suma de situaciones en distintos instantes temporales.
Tal resultado, como la mayor parte de resultados teóricos en la Mecánica Cuántica, implica manipular y analizar una entidad matemática llamada función de onda, un concepto introducido por Erwin Schrödinger hace ocho décadas para definir los estados cuánticos. Es a partir de las funciones de onda donde los físicos deducen la posibilidad (es más, la necesidad) del entrelazamiento de partículas que tienen posiciones indefinidas, y sucesivamente. Y es la función de onda la que yace en el corazón de todos los misterios sobre los efectos no locales de la Mecánica Cuántica.
Pero, ¿qué es exactamente? Los investigadores de los pilares de la física están debatiendo de nuevo esta cuestión. ¿Es la función de onda un objeto físico concreto, o es algo como una ley del movimiento o una propiedad interna de las partículas o una relación entre puntos espaciales? ¿O es simplemente nuestra información actual sobre las partículas? ¿O qué?
Las funciones de onda mecánico cuánticas no pueden representarse matemáticamente en algo más pequeño que un alucinante espacio súper-dimensional llamado espacio de configuración. Si, como algunos defienden, las funciones de onda tienen que ser concebidas como objetos físicos concretos, entonces tenemos que tomar en serio la idea de que la historia del mundo desempeña un papel no sólo en nuestro espacio tridimensional de nuestra experiencia cotidiana, o en el espacio de cuatro dimensiones de la relatividad espacial, sino también en este gigantesco y poco familiar espacio de configuración, fuera del cual surge la ilusión dela tridimensionalidad. Nuestra idea tridimensional de localidad tendría también que comprenderse como emergente. La no localidad de la física cuántica podría ser nuestra ventana a este nivel más profundo de la realidad.
El estatus de la relatividad especial, más de un siglo después de ser presentada al mundo, está repentinamente una cuestión radicalmente abierta y en rápido desarrollo. Se ha llegado a esta situación debido a que los físicos y filósofos finalmente han seguido el camino a través de los cabos sueltos del argumento de Einstein rechazado durante mucho tiempo a la Mecánica Cuántica — una irónica prueba del genio de Einstein. El disminuido gurú puede perfectamente haber estado equivocado en lo que creemos que había acertado, y acertar en lo que creíamos que había errado. Puede que, de hecho, veamos el universo a través de un cristal no tan oscura como se ha insistido tanto tiempo.
Autor: David Z Albert y Rivka Galchen
Fecha Original: 18 de febrero de 2009
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Vía Ciencia Kanija
Imagen actualizada por la USNO
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