Físicos descubren una paradoja cuántica que siembra dudas sobre un pilar de la realidad

Física

Si un árbol cae y nadie lo oye ¿Suena? Algunos dirían que no. Y si alguien está ahí y lo oye, tal vez suena. Bueno, tal vez sea hora de revisar esa respuesta.

Hemos encontrado una nueva paradoja en la mecánica cuántica, una de nuestras dos teorías científicas fundamentales, junto con la teoría de la relatividad de Einstein, que arroja dudas sobre algunas ideas de sentido común sobre la realidad física.

Mecánica cuántica vs. sentido común

Echemos un vistazo a estas tres declaraciones:

Cuando alguien observa que ocurre un evento, realmente sucedió.

Es posible hacer elecciones libres, o al menos, elecciones estadísticamente aleatorias.

Una elección hecha en un lugar no puede afectar instantáneamente a un evento distante. Los físicos llaman a esta “localidad”.

Todas estas son ideas intuitivas y ampliamente creídas incluso por los físicos. Pero nuestra investigación, publicada en Nature Physics, muestra que no todas pueden ser ciertas, o la propia mecánica cuántica debe fallar en algún nivel.

Este es el resultado más contundente hasta ahora de una larga serie de descubrimientos en mecánica cuántica que han cambiado nuestras ideas sobre la realidad. Para entender por qué es tan importante, veamos esta historia.

La batalla por la realidad
La mecánica cuántica funciona muy bien para describir el comportamiento de objetos diminutos, como átomos o partículas de luz (fotones). Pero ese comportamiento es muy extraño.

En muchos casos, la teoría cuántica no da respuestas definitivas a preguntas como ¿Dónde está esta partícula en este momento? En cambio, solo proporciona probabilidades de dónde podría encontrarse la partícula cuando se observa.

Para Niels Bohr, uno de los fundadores de la teoría hace un siglo, eso no se debe a que carezcamos de información, sino a que las propiedades físicas como la “posición” no existen en realidad hasta que se miden.

Y lo que es más, debido a que algunas propiedades de una partícula no se pueden observar perfectamente simultáneamente, como la posición y la velocidad, no pueden ser reales simultáneamente.

Nada menos que Albert Einstein encontró esta idea insostenible. En un artículo de 1935 con sus colegas teóricos Boris Podolsky y Nathan Rosen, argumentó que debe haber más en la realidad de lo que la mecánica cuántica podría describir.

El artículo consideró un par de partículas distantes en un estado especial ahora conocido como estado “entrelazado”. Cuando se mide la misma propiedad (digamos, posición o velocidad) en ambas partículas entrelazadas, el resultado será aleatorio, pero habrá una correlación entre los resultados de cada partícula.

Por ejemplo, un observador midiendo la posición de la primera partícula podría predecir perfectamente el resultado de medir la posición de la distante, sin siquiera tocarla. O el observador podría optar por predecir la velocidad. Esto tenía una explicación natural, argumentaron, si ambas propiedades existían antes de ser medidas, contrariamente a la interpretación de Bohr.

Sin embargo, en 1964, el físico norirlandés John Bell descubrió que el argumento de Einstein fracasaba si se realizaba una combinación más complicada de diferentes mediciones en las dos partículas.

Bell demostró que si los dos observadores eligen aleatoria e independientemente entre medir una u otra propiedad de sus partículas, como la posición o la velocidad, los resultados promedio no se pueden explicar en ninguna teoría en la que tanto la posición como la velocidad fueran propiedades locales preexistentes.

Eso suena increíble, pero los experimentos ahora han demostrado de manera concluyente que las correlaciones de Bell ocurren. Para muchos físicos, esto es una prueba de que Bohr tenía razón: las propiedades físicas no existen hasta que se miden.

Pero eso plantea la pregunta crucial: ¿qué tiene de especial una “medida”?

El observador observado
En 1961, el físico teórico húngaro-estadounidense Eugene Wigner ideó un experimento mental para mostrar qué es tan complicado sobre la idea de medición.

Consideró una situación en la que su amigo entra en un laboratorio herméticamente cerrado y realiza una medición en una partícula cuántica, por ejemplo, su posición.

Sin embargo, Wigner notó que si aplicaba las ecuaciones de la mecánica cuántica para describir esta situación desde el exterior, el resultado era bastante diferente. En lugar de que la medición del amigo haga real la posición de la partícula, desde la perspectiva de Wigner, el amigo se enreda con la partícula y se infecta con la incertidumbre que la rodea.

Esto es similar al famoso gato de Schrödinger, un experimento mental en el que el destino de un gato en una caja se enreda con un evento cuántico aleatorio.

Para Wigner, esta fue una conclusión absurda. En cambio, creía que una vez que la conciencia de un observador se involucre, el enredo “colapsaría” para que la observación del amigo fuera definitiva.

Pero, ¿y si Wigner estaba equivocado?

Nuestro experimento
En nuestra investigación, nos basamos en una versión ampliada de la paradoja del amigo de Wigner, propuesta por primera vez por Časlav Brukner de la Universidad de Viena. En este escenario, hay dos físicos, llamémoslos Alice y Bob, cada uno con sus propios amigos (Charlie y Debbie) en dos laboratorios distantes.

Hay otro giro: Charlie y Debbie ahora miden un par de partículas entrelazadas, como en los experimentos de Bell.

Como en el argumento de Wigner, las ecuaciones de la mecánica cuántica nos dicen que Charlie y Debbie deberían enredarse con sus observaciones.

Pero debido a que esas partículas ya estaban enredadas entre sí, los propios Charlie y Debbie deberían enredarse, en teoría.

Pero, ¿qué implica eso experimentalmente?

Nuestro experimento es así: los amigos entran en sus laboratorios y miden sus partículas. Algún tiempo después, Alice y Bob lanzan una moneda cada uno. Si son caras, abren la puerta y le preguntan a su amigo qué vieron. Si son sellos, realizan una medición diferente.

Esta medida diferente siempre da un resultado positivo para Alice si Charlie está enredado con su partícula observada en la forma calculada por Wigner. Lo mismo ocurre con Bob y Debbie.

Sin embargo, en cualquier realización de esta medición, cualquier registro de la observación de su amigo dentro del laboratorio no puede llegar al mundo externo. Charlie o Debbie no recordarán haber visto nada dentro del laboratorio, como si despertaran de la anestesia total.

Pero, ¿sucedió realmente, incluso si no lo recuerdan?

Si las tres ideas intuitivas al comienzo de este artículo son correctas, cada amigo vio un resultado real y único para su medición dentro del laboratorio, independientemente de si Alice o Bob decidieron abrir su puerta o no. Además, lo que ven Alice y Charlie no debería depender de cómo aterrice la moneda distante de Bob, y viceversa.

Demostramos que si este fuera el caso, habría límites para las correlaciones que Alice y Bob podrían esperar ver entre sus resultados. También mostramos que la mecánica cuántica predice que Alice y Bob verán correlaciones que van más allá de esos límites.

A continuación, hicimos un experimento para confirmar las predicciones de la mecánica cuántica utilizando pares de fotones entrelazados. El papel de la medición de cada amigo fue jugado por uno de los dos caminos que cada fotón puede tomar en la configuración, dependiendo de una propiedad del fotón llamada “polarización”. Es decir, el camino “mide” la polarización.

Nuestro experimento es solo una prueba de principio, ya que los “amigos” son muy pequeños y simples. Pero abre la pregunta de si los mismos resultados serían válidos con observadores más complejos.

Es posible que nunca podamos hacer este experimento con humanos reales. Pero sostenemos que algún día podría ser posible crear una demostración concluyente si el “amigo” es una inteligencia artificial de nivel humano que se ejecuta en una computadora cuántica masiva.

¿Qué significa todo esto?
Aunque puede que falten décadas para una prueba concluyente, si las predicciones de la mecánica cuántica continúan siendo válidas, esto tiene fuertes implicaciones para nuestra comprensión de la realidad, incluso más que las correlaciones de Bell.

Por un lado, las correlaciones que descubrimos no se pueden explicar simplemente diciendo que las propiedades físicas no existen hasta que se miden.

Ahora se cuestiona la realidad absoluta de los resultados de la medición.

Nuestros resultados obligan a los físicos a lidiar con el problema de la medición de frente: o nuestro experimento no se amplía y la mecánica cuántica da paso a la llamada “teoría del colapso objetivo”, o se debe rechazar una de nuestras tres suposiciones de sentido común. .

Hay teorías, como de Broglie-Bohm, que postulan la “acción a distancia”, en la que las acciones pueden tener efectos instantáneos en otras partes del universo. Sin embargo, esto está en conflicto directo con la teoría de la relatividad de Einstein.

Algunos buscan una teoría que rechace la libertad de elección, pero requieren una causalidad al revés o una forma aparentemente conspirativa de fatalismo llamada “superdeterminismo“.

Otra forma de resolver el conflicto podría ser hacer que la teoría de Einstein sea aún más relativa. Para Einstein, diferentes observadores podrían estar en desacuerdo sobre cuándo o dónde sucede algo, pero lo que sucede es un hecho absoluto.

Sin embargo, en algunas interpretaciones, como la mecánica cuántica relacional, QBism o la interpretación de muchos mundos, los eventos en sí pueden ocurrir solo en relación con uno o más observadores. Un árbol caído observado por uno puede no ser un hecho para todos los demás.

Todo esto no implica que puedas elegir tu propia realidad. En primer lugar, puedes elegir qué preguntas haces, pero las respuestas las da el mundo. E incluso en un mundo relacional, cuando dos observadores se comunican, sus realidades se entrelazan. De esta forma puede surgir una realidad compartida.

Lo que significa que si ambos presenciamos la caída del mismo árbol y dices que no puedes oírlo, es posible que solo necesites un audífono.

Eric Cavalcanti, profesor asociado, Griffith University.

Este artículo es una traducción de otro publicado en Science Alert. Puedes leer el texto original haciendo clic aquí.

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