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El teorema «más profundo» de la ciencia y que contradijo a Einstein


El año 1964 John Stewart Bell, físico del CERN en Suiza (Organización Europea para la Investigación Nuclear), descubrió algo muy extraño. Muy.
Se dio cuenta de que había una característica en las partículas atómicas, que implica que necesariamente debe haber una conexión inexplicable entre las partículas elementales. Esto, a su vez, da a entender que: o existe una comunicación a una velocidad mayor que la luz, o una cosa puede ocurrir simultáneamente en dos lugares distintos. Aquí les explicamos el misterioso asunto.
Tres amigos contra lo inexplicable: la paradoja EPR
Partamos por el comienzo. Einstein nunca fue muy amigo de la mecánica cuántica, y la verdad, le tenía un poco de pica… porque a pesar de lo revolucionaria que fue su teoría de la relatividad, Einstein siempre se vio como un continuador de la obra newtoniana. Y la mecánica cuántica es demasiado “extraña” para ser newtoniana, y de hecho, desafía a cada paso esa lógica. También, claro, nos enseña un poco de humildad, al mostrarnos que la naturaleza se comporta “como quiere”, no como nosotros pensamos que debiera ser.

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En suma, Einstein le tenía bastante “mala” a esta área de la física, y no cesaba en sus intentos de demostrar lo errada que estaba. Le parecía que “Dios no jugaba a los dados”.

Uno de sus intentos más fructíferos (aunque quizás no como esperó, finalmente), es la llamada paradoja EPR, por las iniciales de los apellidos de los científicos involucrados. Einstein, se juntó con su amigo Boris Podolski y con Nathan Rose, y entre los tres idearon un “maquiavélico” experimento mental, que ponía a prueba a la mecánica cuántica y la consistencia y lógica de sus resultados.

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Según el Principio de Incertidumbre de Heinsenberg, no se puede calcular la velocidad y la posición de una partícula determinada al mismo tiempo. Y además, esto es una característica inherente a la naturaleza del universo.

El principio de incertidumbre de Heisenberg, explicado. José Zapana / Colegio San Agustín.

Pues bien, lo que plantearon Einstein, con Podolski y Rose, es lo siguiente: imaginemos una partícula A, que llamaremos Alicia, y una particula B, que llamaremos Bob (en realidad su nombre completo es Boberto).

Estas partículas interactúan brevemente, y luego siguen su camino. Resulta que la partícula A (Alicia), se topa en su camino con un medidor. Este medidor, ciñéndose al principio de Heisenberg, sólo mide la posición de Alicia. Por lo tanto, por deducción, se puede determinar la posición de Bob. Por su lado, Bob pasa por otro medidor en su camino. Pero este medidor, sólo mide la velocidad de Bob. Por lo tanto, si juntamos todos los datos… ¡OMG, tenemos la posición y la velocidad de AMBAS PARTICULAS! A ver, ¿por qué tanta emoción?

Porque si ambas cosas son sabidas con certeza, el principio de incertidumbre se iría “a las pailas”, y con él buena parte de la construcción teórica de la mecánica cuántica. Claro que, como era un experimento mental, no había forma de comprobar en los hechos si las cosas eran así, o no.

La paradoja EPR y el entrelazamiento cuántico, explicados. Odisseis.
Contraataca el Teorema de Bell

Por otra parte, en 1964 John Stewart Bell decide tomar el toro por las astas. ¿Y qué hace? Se dedica a tomar los supuestos de la física teórica tradicional, y llevarlo a sus extremos. Lo que descubre es algo bastante sorprendente, y que tiene ramificaciones de todo tipo.
Bell parte con las premisas implícitas en la paradoja EPR. Estas son:
La realidad (nuestra realidad) siempre existe como la conocemos, y si no sabemos cómo es, es porque no la hemos medido. O sea, nada de cosas raras como probabilidades o incertidumbres o cosas así. Si no conocemos la velocidad de una partícula, es porque no la medimos. Si no conocemos la posición, lo mismo.

La realidad es local. O sea, si yo llevo a mis partículas Alicia y Bob, que interactuaron, a lados opuestos del universo, si yo descubro algo sobre Alicia, y Bob también tiene una característica parecida, entonces ambos tenían la característica desde el comienzo. Y si pasa algo que no puedo explicar es porque no he considerado algo que se me escapa. Muy lógico y razonable. No existe una “acción fantasmal a distancia”, como le llamó Einstein.

Pues bien, en su elegante teorema, Bell toma la paradoja EPR, y la lleva hasta sus últimas consecuencias. Tras un cuidadoso análisis, y a través de pasos lógicos y clarísimos, llega a la conclusión de que si yo hago al azar, dos mediciones en un experimento donde se evalúe la paradoja EPR, entonces, la posibilidad mínima de que coincidan es de 5/9, o sea, algo así como un 55%. En otras palabras, siempre, siempre, siempre, van a coincidir las mediciones AL MENOS un 55% o más veces.

Bell descubrió que existen resultados experimentales que desafían esa posibilidad. Se producen menos coincidencias de las que deberían: los resultados muestran, que a veces las mediciones sólo coinciden la mitad de las veces. Sólo un 50%. Pero un 5% de diferencia es una cantidad devastadora de inexactitud, como lo sabrán si les llegan a descontar un 5% del sueldo “por error”.

Dado que lo que ocurre en la “realidad real” es distinto a lo que “debería ocurrir”, entonces las premisas iniciales están erradas: o la realidad NO existe siempre como la conocemos, o bien, la realidad NO es local, o sea, existe comunicación entre partículas, a velocidades superiores a la de la luz, por razones que desconocemos.

Es más: si se toman los experimentos mostrados por Bell en su teorema, y se desarrollan las ecuaciones de la mecánica cuántica, ésta logra predecir absolutamente todas las conclusiones experimentales. Por lo tanto, la física cuántica está en lo cierto y Einstein, Podolski y Rose se equivocaban. Explicaremos de inmediato las enormes consecuencias de esto.

El teorema de Bell y el entrelazamiento cuántico, explicado de forma más extensa y quizás un poquito más “en difícil”. Víctor Romero / UNAM

Alto impacto: las profundas consecuencias de estos hallazgos

El punto, es que de todas formas, el entrelazamiento cuántico existe. Pero esperen, ¿qué diantres es el entrelazamiento cuántico?

Cuando uno mide dos partículas que han interactuado, ocurre algo muy curioso: si al medir la carga de una partícula, esta se desvía en una dirección, la otra se desviará en la dirección opuesta al medirla. En otras palabras, . Es algo que suena y es muy extraño.

Según lo que plantea la paradoja EPR, habría datos que no han sido considerados, algunas “variables ocultas” que hacen “parecer” que esto ocurre de forma misteriosa. Pero el teorema de Bell descartó eso, y como explicábamos recién, nos plantea que el entrelazamiento cuántico, ocurre porque o bien, la realidad no es lo que los instrumentos nos dicen, o porque existe una comunicación más rápida que la velocidad de la luz.

Aún más: aunque se criticaron inicialmente los primeros experimentos, por distintas fallas metodológicas, se encontró, con el tiempo, que el Teorema de Bell es cierto. Esto tiene profundas consecuencias en cómo se tendría que considerar el universo.

Por ejemplo, según la interpretación del Dr. en física David Bohm, todas las partículas del universo se estarían comunicando entre sí, a una velocidad superior a la de la luz. Y el año 2007, a través de un experimento, se determinó que muchas variables fuera de ese modelo, no son válidas.

Otra forma de darle un sentido al universo en el que vivimos, después del teorema de Bell, es considerar que todas las posibilidades de que algo ocurra, coexisten al mismo tiempo, y cuando se realiza una medición, se “escoge” una realidad. Y si una persona A coincide en la misma medición con la persona B, es porque sus realidades coinciden. Si no lo hacen, es porque “escogieron” una realidad distinta.

Esto lleva a más preguntas que respuestas. En concreto, ¿es el universo un solo sistema, casi orgánico, que se comunica en forma instantánea entre sus partes? ¿Existe entonces una “superestructura” que permite comunicación de información instantánea entre distintas partes del universo, a una velocidad inmensamente superior a la de la luz? ¿Existen múltiples universos conviviendo simultáneamente, pero nuestra conciencia sólo ve uno?

En ese caso, ¿qué es entonces la conciencia? ¿Un filtro para una realidad específica?

Lo cierto, es que el Teorema de Bell, demuestra que la mecánica cuántica describe una realidad, que no puede ser descrita por las formas habituales de pensar, o por el racionalismo mecanicista newtoniano. Abre la puerta a otras realidades, y permite el avance de la ciencia a terrenos amplios e inexplorados.