La espeluznante acción a distancia – entrelazamiento cuántico

Vamos a jugar un juego. Tú y yo tenemos cada uno un dado y nuestros dados son idénticos. Tenemos reglas específicas acerca de cómo debemos jugar el juego y las seguimos al pie de la letra. Ambos ponemos nuestros dados en una caja completamente sellada que agitamos al azar. A continuación tiramos los dados, haciendo que cada uno caiga en otra caja pequeña completamente sellada – de esta forma no podemos ver nuestros resultados de inmediato. Cada uno toma su caja y vamos a cuartos separados donde podemos abrirlas y observar el resultado. El juego parece no ser muy divertido; ninguno de los dos parece ganar algo y después de repetir el proceso muchas veces, nos damos cuenta que no hay nada sorprendente en los resultados que observamos: los dados son normales, tienen seis caras y todas las caras aparecen como resultado de nuestro juego con la misma frecuencia.

Texto: Alexander Keesling
Portada: Composición VC

Seguimos jugando porque no hay mucho más que hacer y cuando el aburrimiento nos empieza a ganar, nos damos cuenta que aunque las reglas nos indican que debemos abrir las cajas que contienen nuestros dados en cuartos aislados, no hay nada que nos impida discutir nuestros resultados… empezamos a comparar resultados.

Nos damos cuenta de un segunda cosa: puede ser que haya algo más allá de lo que habíamos notado en nuestros resultados

Aunque independientemente nuestros dados parecen no hacer nada interesante, cuando comparamos nuestros resultados notamos que cada vez que mi dado cae en 5, el tuyo cae en 2. No sólo eso, sino que la suma de nuestros resultados es siempre igual a 7; es decir que nuestros dados siempre caen en lados opuestos. Todo en conjunto parece indicar que por lo menos una de nuestras cajas está haciendo algo especial.

Foto: Mike Szczepanski

Para llegar al fondo del asunto nos ponemos de acuerdo para investigar que tan arreglados están nuestros resultados. Para este fin, después de abrir la caja y anotar el resultado del dado, giramos el dado hacia la derecha, la izquierda, adelante, o atrás, y anotamos también ese resultado. Al comparar nuestras anotaciones, vemos otra vez que el primer resultado siempre suma a siete. Sin embargo, el resultado después de girar el dado no muestra ningún patrón. Es decir que cada vez que  mi dado cae en 2, y después de girarlo dice 4, el tuyo cae en 5 y después de girarlo muestra 1, 3, 4, o 6 de manera aleatoria. Sin embargo, lo que queremos averiguar es si la orientación del dado está predeterminada, así que dividimos nuestras observaciones en cuatro grupos distintos. Las cuatro opciones son si giramos en la misma dirección (ambos a la derecha), en direcciones opuestas (yo hacia arriba y tú hacia abajo), o en direcciones ortogonales contra reloj (yo a la derecha y tú hacia arriba), o con el reloj (yo a la izquierda y tú hacia arriba). Incluso después de dividir los resultados de esta manera vemos claramente que nuestros resultados después de girar el dado son independientes. Por lo tanto concluimos que aunque el resultado de nuestros dados parece estar predeterminado, la orientación de los dados es aleatoria.

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Como investigadores curiosos y dedicados que somos, nos decidimos a buscar otras maneras de tratar de entender nuestro inusual juego. Decidimos que una idea sensata para corroborar nuestras observaciones anteriores es invertir el orden en el que hacemos nuestras mediciones. Hasta ahora hemos abierto la caja, registrado el resultado, y después girado el dado para registrar nuestro segundo resultado. Ahora vamos primero a girar la caja cerrada, abrirla, registrar el resultado, y después girar el dado en dirección opuesta a la que giramos la caja. Nuestra expectativa es que nuestra primera observación no va a tener ningún patrón discernible, pero nuestra segunda medición – equivalente a lo que habríamos visto de no girar la caja – tendrá la característica de siempre sumar a siete. De manera cuidadosa repetimos este procedimiento alterno muchas veces y volvemos a comparar nuestros resultados.

Nuestras anotaciones son sorprendentes. Lo primero que podemos observar es que nuestros segundos resultados, los que esperamos que sumen a siete, solamente suman a siete unas cuantas ocasiones, y de hecho los resultados de ambos dados son completamente independientes y aleatorios. Más sorprendente aún es la comparación de los resultados al girar la caja y abrirla, sin girar el dado. Cuando las direcciones en las que giramos nuestras respectivas cajas son ortogonales, sin importar si van con o contra el reloj, los resultados son independientes y aleatorios, justo como esperábamos. Sin embargo, cuando giramos nuestras cajas en la misma dirección la suma de nuestros dados otra vez vuelve siempre a sumar a 7. Para aumentar la confusión aún más, cuando giramos nuestras cajas en direcciones opuestas mi dado siempre muestra el mismo resultado que el tuyo. La siguiente tabla resume todas nuestras observaciones.

Tabla 1: Resultados posibles, representación propia

No se tú, pero a mí estos resultados me parecen sospechosos

La orientación de nuestros dados no puede estar completamente definida al momento en que se dividen en dos cajas ya que la manera en que manipulamos las cajas afecta el resultado. La única manera en que puedo concebir estos resultados es que nuestras cajas puedan comunicarse entre sí.

jugarle un juego al juego

Sin embargo tú y yo sabemos lo uno o lo otro acerca de la comunicación en general – por ejemplo, que toda comunicación toma una cantidad mínima de tiempo en transmitirse. Por lo tanto, para rebelarnos contra el juego nos ponemos de acuerdo:

Nos alejamos lo suficiente para asegurarnos de que el mensaje entre las dos cajas tome el mayor tiempo posible. Hipotéticamente serían miles de kilómetros de distancia. De esta manera, si ambos giramos nuestras cajas en direcciones aleatorias, las abrimos y anotamos el resultado, será imposible que las cajas tengan suficiente tiempo para arreglar los dados de último momento.

Con toda la confianza que conlleva esta planeación maestra implementamos este plan una y otra vez. Recreamos las cuatro opciones distintas descritas en la tabla anterior. Añadimos relojes sincronizados y mantenemos la amplia distancia.

Después de suficientes repeticiones volvemos a comparar nuestros resultados: con una creciente sensación de tener un nudo en nuestros estómagos nos damos cuenta que aún haciendo imposible para evitar la comunicación entre nuestras acciones, los resultados son los mismos que antes.

De alguna manera las acciones individuales de cada caja, afectan de manera real un objeto físico en mi posesión de manera inmediata. Esta espeluznante acción a distancia ha tenido que ligar dos eventos separados en el espacio y el tiempo, de manera que ni un mensaje viajando a la máxima velocidad posible en la naturaleza (la velocidad de la luz) hubiera podido viajar de uno al otro.

Credit: Nicolle R. Fuller/ National Science Foundation

Al leer estas palabras puedes convencerte de que la conclusión de todo este asunto, es que el juego que describo únicamente funciona en los confines de aparatos literarios y puede considerarse ciencia ficción. El resultado es claramente una contradicción; si es que uno acepta las leyes comunes de la física, como el que la velocidad de la luz es la máxima velocidad a la que se puede transmitir una influencia de un punto a otro.

La paradoja de Einstein, Podolsky y Rosen

Fuera de eso es obvio que si los objetos existen y tienen propiedades bien definidas, aún cuando no estén interactuando directamente con sus entornos, este juego es imposible. Sin embargo con menos palabras y más ecuaciones: la teoría cuántica predice precisamente este inesperado comportamiento.

En uno de los artículos científicos más famosos en la historia de la física, un grupo de tres físicos describe como la entonces joven teoría cuántica implica un resultado muy similar al descrito anteriormente. Por lo tanto, los físicos concluyeron que la teoría cuántica no puede ser correcta y debía ser enmendada para evitar este tipo de contradicciones.

El artículo publicado en 1935 y titulado ¿Puede la Descripción Mecánico-Cuántica de la Realidad Física ser Considerada Completa? fue escrito por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, cuyas iniciales dieron nombre a la famosa paradoja de EPR.

Más tarde, en correspondencia privada con otro gran físico de la era, Max Born, Einstein describió al fenómeno cuántico que da lugar a este tipo de resultados aparentemente imposibles como “espeluznante acción a distancia” o spukhafte Fernwirkung en alemán, para recalcar su menosprecio por el mismo. Sin embargo, hoy en día se le conoce como entrelazamiento cuántico.

Los modelos físicos que hacen de la paradoja de EPR una paradoja, son aquellos que tienen la característica de realismo-local. La localidad es la idea de que un evento causante solamente puede afectar a otro causado, si un mensaje viajando a la velocidad de la luz pudo haber sido transmitido del causante al causado.

En este contexto el realismo es la característica de que las propiedades de los objetos físicos siempre están definidas de manera intrínseca y no únicamente con relación a otros objetos físicos, ni sus interacciones con ellos. Toda nuestra experiencia e intuición nos dice que el mundo físico a nuestro alrededor posee la característica de realismo-local.

La mecánica cuántica no se equivoca

Sin embargo, desde aquel influyente artículo en 1935, estas ideas han sido elaboradas de manera rigurosa tanto teóricamente, con el soporte matemático necesario, como experimentalmente. Es realmente sorprendente, pero cada experimento que ha puesto a prueba de una u otra manera la validez de la paradoja de EPR ha demostrado que la predicción de la mecánica cuántica es correcta.

¿Cómo influye la mecánica cuántica? Una y otra vez en distintos contextos, lugares y tiempos, nuestros experimentos han implementado el curioso juego descrito anteriormente y han demostrado que de manera fundamental la naturaleza no puede ser descrita por un modelo que contiene realismo-local.

El juego de los dados cuánticos puede resultar confuso y estar arreglado, pero las reglas son claras e incorruptibles. El resultado de cada tiro de los dados parece simple y sin sentido ya que no determina a un ganador. Sin embargo cuando tú y yo colaboramos para el experimento, avanzamos nuestro entendimiento de las reglas ocultas del juego. A final de cuentas lo que ganamos los dos es un entendimiento más profundo de los misterios de la naturaleza.

Sobre el autor:

Alexander Keesling

Ciencia

Alex (Ciudad de México, 1990) es un físico mexicano que trabaja en el desarrollo de tecnologías cuánticas, particularmente para fines de computación cuántica. Realizó su licenciatura en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y su maestría en la Universidad de Harvard, en donde realiza investigación actualmente como parte de su doctorado. Ha publicado artículos científicos en las revistas Nature y Science, entre otras.

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