Vinicio Barrientos Carles
Guatemalteco de corazón, científico de profesión, humanista de vocación, navegante multirrumbos… viajero del espacio interior. Apasionado por los problemas de la educación y los retos que la juventud del siglo XXI deberá confrontar. Defensor inalienable de la paz y del desarrollo de los Pueblos. Amante de la Matemática.
Dios no juega a los dados con el universo. Albert Einstein
A lo largo del devenir humano, la ciencia se ha venido constituyendo en el más grande de sus proyectos. El mismo desarrollo de la inteligencia y los grados que solemos conceder en esta dimensión parecieran estar atados, de manera indisoluble, con la cantidad y la calidad de lo que se sabe. Ni el mundo del que se tratara, ni la creatura en cuestión, cambiarían la preclara correlación que establecemos entre nuestras nociones de inteligencia y esta comprensión del mundo a la que estamos haciendo alusión. Por otro lado, no podemos concebir una mente suficientemente compleja, como para poseer consciencia autorreflexiva, que no desarrolle actividades racionales explicativas del cosmos, su entorno.
A tal punto la admiración por nuestros saberes, que nos hemos autoadjudicado, orgullosamente, las etiquetas Homo sapiens. Desde milenios atrás, el ser humano ha venido desarrollándose a pasos agigantados, aproximándose al entendimiento del mundo que nos rodea, del espacio que habitamos. En un vistazo retrospectivo, apreciamos los muchos errores y ponderamos de mejor manera los aportes que nos han hecho avanzar. Esta tarea, epistemológica, se ha venido transformando, paulatinamente, en una de índole cada vez más abstracta. Desde los filósofos presocráticos de la Antigua Grecia, hasta los laureados recientemente con el Premio Nobel de Física 2022, las reflexiones y los esfuerzos por el entendimiento de la physis, la naturaleza del cosmos, no han cesado.
En la primera semana de este mes de octubre corrió la noticia de la concesión que la Real Academia Sueca de Ciencias hiciera al francés Alain Aspect, al estadounidense John Clauser y al austriaco Anton Zeilinger. En el texto oficial entregado a cada uno de los laureados se lee: «Por los experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pionero en la ciencia de la información cuántica». Aquí es donde, todas y todos, podríamos comentar algo al respecto. Con absoluta seguridad diríamos: «es que tres físicos de distintas nacionalidades han sido galardonados por su éxito con innovadores experimentos». Si alguien nos pregunta ¿algún detalle más por compartir?, posiblemente guardemos silencio.
Y es que, cuando aparece este término «cuántico», nos inhibimos un poco, nos imaginamos cualquier tipo de ideaciones, pero, ante todo, optamos por no comentar mayor cosa, para no evidenciar nuestros consabidos desconocimientos sobre el tema. Si se nos fuerza un poquito, mencionaremos que lo cuántico hace referencia a las escalas más pequeñas, a las partículas subatómicas, lo que ya es mucho meterse en honduras que nadie entiende. Valga una digresión sobre nuestra formación escolar, identificada como del «sistema educativo», que pareciera estar detenido en el tiempo, en la ciencia de hace un par de siglos. Si nos vamos a YouTube tendremos la certeza de que este «sistema» tiene mucho por modificar.
Empero, regresando al texto del Nobel, que menciona fotones entrelazados, desigualdades de Bell y ciencia de la información cuántica. Seguro que no podríamos aquí despejar todas las dudas al respecto, pero en su defecto si podemos dar unas prontas pinceladas que nos motiven lo suficiente para ir e indagar un poco más sobre estos puntos. Mucho se ha comentado que este reconocimiento transformará el mundo por venir. Primeramente, asentar que «cuántico» proviene de «cuanto», que a su vez está tomado del latín quantum. El calificativo empezó a usarse para todo lo relativo a los cuantos de energía, que son los paquetes energéticos mínimos que son emitidos en los fenómenos de la radiación electromagnética.
Puesto que estos paquetes son discretos, es decir, que se presentan de uno en uno, y por ende en valores enteros, el calificativo «cuántico» pasó a indicar que una cierta magnitud no era continua, sino discreta. Por ejemplo, decir que la carga o la masa están cuantizadas, no dice otra cosa diferente que estas magnitudes se definen mediante un número entero de unidades elementales. Que la realidad física sea discreta significa que, en última instancia, esta realidad, más que medirse, en forma continua, se cuenta. Así, para cualquier cantidad física, inclusive el tiempo, llega un momento en que no puede subdividirse más, de manera que «todo» viene a ser una acumulación de «cuantos» elementales.
Interrogantes sobre la constitución última de los entes las encontramos en tiempos remotos, cuando los primeros físicos milesios buscaban el arqué (arjé). Aunque su abordaje fue monista, posibilitaron el advenimiento del pensamiento pluralista posterior, que a su vez derivó, siglos después, en el atomismo de Leucipo de Mileto, discípulo de Zenón de Elea, este último conocido por sus famosas paradojas sobre el infinito y la partición sin límite. Leucipo inventó la palabra átomo, que significa «sin división», para hacer referencia a esas minúsculas partes constituyentes de la materia finalmente indivisibles. Todas estas ideas fueron documentadas, proclamadas y llegaron hasta nuestros días en los textos del célebre Demócrito de Abdera.
No obstante, la ciencia contemporánea desarrolló, a partir de las primeras décadas del siglo XX, la mecánica cuántica, que describe la forma específica en que estas partículas elementales interactúan entre sí. De ahí que lo cuántico haga referencia a las leyes de la naturaleza en la escala más pequeña posible. En este nivel minimal de la física de partículas, además de que todo es discreto, es relevante señalar que ni lo que ahí acontece ni la forma en que se describen los hechos resultan intuitivos. A esto se refiere la muy conocida frase del físico norteamericano Richard Feynmann: «Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica».
Sin embargo, no es el hecho de que la física en las pequeñas escalas sea en lo absoluto incomprensible, sino que lo que ahí acontece no corresponde a nuestra intuición, construida en base a experiencias en el mesomundo, en donde, por pequeño que sea el puchito de algo, contiene una inmensidad de partículas elementales (verbigracia, un granito de sal tiene más de 1018 átomos). Lo más interesante de esta separación en las escalas es que los distintos modos para ver y entender las cosas muy pequeñas también ha sido fuente de discusión entre los más grandes físicos, pioneros en el estudio de los fenómenos en las dimensiones subatómicas.
Así, por ejemplo, aunque Albert Einstein, citado en nuestro epígrafe, forma parte de los primeros constructores de la nueva mecánica, con el paso de los años se mostró renuente a romper con uno de los que se consideraban los pilares más fuertes de la ciencia, en las concepciones, logros y desaciertos que en los milenios precedentes se habían presentado, como he mencionado al inicio de esta publicación. Específicamente, lo cuántico estaba colocando en suspenso, en duda razonable, el mismo determinismo de la ciencia precedente y la causalidad subyacente en los fenómenos naturales.
Efectivamente, el popular físico alemán propuso, en un artículo publicado en 1905, la idea de quanto de luz, con lo que explicaba satisfactoriamente el llamado efecto fotoeléctrico, consistente en la emisión de electrones al hacer incidir luz ultravioleta sobre un cierto material. Para ese entonces, el científico no tenía la más mínima idea de a dónde estas nuevas ideas conducirían. La propuesta de los cuantos de luz abriría el paso, en primer lugar, despertando fuertes indicios sobre cierta dualidad onda corpúsculo, que posteriormente sería elevada a ley universal, sustentando que todos los sistemas físicos muestran ambos tipos de propiedades: las ondulatorias y las corpusculares.
Paradójicamente, como pasaremos a ver, aunque todas las nuevas ideas llegarían a constituirse en pilares fundamentales para la física de partículas, Einstein renegaría de varias consecuencias que parecían derivarse directamente de los supuestos en los que esta nueva mecánica descansaba. En especial, treinta años después de su revolucionario artículo sobre la interacción (cuántica) entre electrones y fotones, el afamado físico, ya exitoso en lo concerniente a la Relatividad Especial y General, lideraría un equipo que lanzó lo que ellos consideraban un golpe fatal a las extrañas ideas de la cuántica, un experimento teórico hoy conocido como la paradoja EPRB. Aquí introduciremos el controversial entrelazamiento cuántico y unas palabras sobre el desenlace del debate científico del siglo.
En lo precedente, hemos despejado el primer punto de interés, comprendiendo la naturaleza última de las cosas, que puede resumirse diciendo que todo cuanto nos rodea viene a ser una acumulación de ínfimos «cuantos» de materia, de energía, de tiempo o de cualquiera otra magnitud. El siguiente punto será aproximarnos al mencionado entrelazamiento de fotones. Este término «entrelazamiento» (verschränkung, entanglement) fue introducido en 1935 por el físico y filósofo austríaco, nacionalizado irlandés, Erwin Schrödinger, ara describir un fenómeno cuántico, sin equivalente clásico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aun cuando los objetos estén separados espacialmente.
Básicamente, puede suceder que las partículas en un sistema de pequeña escala resulten entrelazadas, puesto que el sistema es descrito en su conjunto mediante una función de onda única, de índole probabilística, de manera que las partículas individuales no pueden describirse con estados separados o independientes. El ejemplo estándar, que es posible preparar experimentalmente, es un par de fotones, o electrones, que posean, como sistema, un espín nulo, de forma que cuando se observe que uno gira «hacia arriba», el otro automáticamente se mostrará girando «hacia abajo».
Lo paradójico de esta caracterización cuántica es que las fuertes correlaciones crean la ilusión de que las medidas realizadas sobre un sistema influyen instantáneamente en otros sistemas que se encuentren entrelazados, sugiriendo una transmisión instantánea, a pesar de la separación entre ellos, lo que va en contra de los límites establecidos en relatividad, de que ninguna «señal» puede viajar más rápido que c, la velocidad de la luz. Conviene seguir el orden histórico de la evolución del problema.
Por otro lado, es crucial reconocer que fueron dos los grandes aportes que emergieron, de forma casi simultánea, en la nueva ciencia, léase: la cuántica y la relatividad. La popularidad de Albert Einstein se debe a varios aspectos. Primero que sus tesis relativistas no tuvieron una acogida amplia, sino por el contrario fueron recibidas con bastante reserva, a punto tal que el Premio Nobel de Física 1921 le fue concedido por su aporte del efecto fotoeléctrico, y no por lo más trascendental, la Relatividad General. Resulta que, curiosamente, los revisores de los escritos tenían serias dudas sobre lo que se planteaba, puesto que no lo comprendían del todo.
Otro punto es con respecto a la frase del epígrafe, que ha circulado ampliamente. La cita hace referencia a una comunicación que Einstein tuviera en 1935 con otro de los gigantes del renacimiento físico del siglo pasado: el danés Niels Bohr, galardonado con el Premio Nobel de Física justamente hace un siglo, en 1922. Bohr desarrolló el primer modelo atómico cuántico, basándose en los conceptos previos del neozelandés Ernest Rutherford, pero incorporando las incipientes ideas sobre cuantización, surgidas de las investigaciones de Max Planck y del efecto fotoeléctrico. El modelo de Bohr es todavía utilizado como una simplificación de la estructura de la materia, pues corresponde a la noción que tenemos de los átomos.
Sobre lo anterior, quizá amerite aclarar que Einstein nunca pronunció en la citada frase la palabra «Dios», pues en el original se lee Der Alte würfelt nicht, que puede ser traducido más bien como «El Viejo no juega a los dados», o algún paralelo o símil como «El Sabio», «El auténtico Líder», «El Gran Jefe», que algunos interpretaron como el absoluto de Baruch Spinoza. También se sabe que, en respuesta al prestigioso físico, Bohr le escribió: «Einstein, deje de estarle diciendo a Dios qué hacer con sus dados». Otra intervención famosa es la del británico Stephen Hawking: «Dios no solo juega a los dados, sino que a veces los tira donde nadie los puede ver».
Lo cierto es que el debate sobre los fundamentos de la física cuántica enfrentó a estos dos grandes científicos. El punto más álgido se desarrolla mediante un experimento imaginario ideado por Einstein en colaboración con Boris Podolski y Nathan Rosen. Por las iniciales, el experimento se denominó el argumento EPR. Cuando David Bohm simplificó el argumento con protones, el experimento pasó a convertirse en la paradoja EPRB. Se lee:
[ es ] un ingenioso mecanismo que permite eludir las reglas cuánticas, asociando a los protones más variables [ concluyendo ] entonces que la MC es incompleta o aproximada [ … ] Según Einstein, estas variables no especificadas serían las responsables de las características probabilísticas de la MC. El argumento [ EPRB ] intenta probar que la MC es incompleta o aproximada [ basándose ] en un postulado denominado principio de localidad de Einstein, según el cual dos objetos separados una distancia arbitrariamente grande solo pueden interactuar físicamente mediante influencias cuya rapidez de propagación sea inferior a la de la luz.
La localidad es característica sine qua non del paradigma científico clásico. Lo vemos al revisar una declaración de Isaac Newton:
Es inconcebible que la materia inanimada, sin la mediación de algo más que no es material, pueda afectar y operar sobre otros entes materiales sin contacto mutuo [ … ] Que la gravedad [ … ] pueda actuar sobre otro a una distancia donde prevalece un vacío, sin la mediación de cualquier otra cosa, a través del cual la acción y fuerza de un objeto puede ser transmitido a otro, es para mí un absurdo tan grande que creo que ningún hombre entendido [ … ] pueda llegar a explicarse. [ … ] debe ser causada por un agente [ … ] pero si este agente es material o inmaterial, lo dejo a consideración de mis lectores.
Hasta aquí el inicio de la historia, pues el debate Einstein Bohr no duró mucho. Después de que el matemático húngaro estadounidense Neumann János Lajos, conocido John von Neumann, uno de los teóricos más influyentes en la ciencia del siglo XX, desarrollara la axiomática para la naciente teoría cuántica, la propuesta de una teoría de variables ocultas se vio formalmente imposibilitada para explicar satisfactoriamente todos los resultados que la mecánica cuántica sí podía predecir exitosamente, de donde la propuesta del equipo postulante del argumento EPR se venía abajo. La comunidad científica ya no le dio seguimiento al asunto, asumiendo implícitamente una victoria de Bohr, concedida gracias a los trabajos matemáticos de von Neumann.
Es aquí donde, posteriormente, en 1964, aparece en la escena el físico irlandés John Stewart Bell, quien vino a resucitar el viejo litigio. Resulta que Bell revisó detenidamente los argumentos de von Neumann, encontrando en ellos unos agujeros epistemológicos que abrían nuevamente la posibilidad de las teorías de variables ocultas. Sin embargo, Bell sepultó prontamente gran parte de estas teorías, justamente las que el equipo Einstein pretendía defender con la paradoja EPR. El metateorema de Bell demuestra que las predicciones de la mecánica cuántica no son intuitivas, esto es, que son inherentemente incompatibles con la visión clásica del universo: «Ninguna teoría física de variables ocultas locales puede reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica». Sobre esto se lee:
Dadas sus implicaciones en el plano de la no localidad, supuso la consagración definitiva de la física cuántica frente a otras teorías de variables ocultas y es considerado por la mayoría de físicos del mundo como el descubrimiento más profundo de la historia de la ciencia.
El denominado test de Bell para solventar las interrogantes planteadas en el debate Einstein Bohr nace justamente de la propuesta básica en el argumento EPR, introduciendo algunas variantes referidas a la manipulación de las mediciones. Esto es, la genialidad de John Bell fue trasladar al plano experimental los aspectos que inicialmente Einstein planteara como una imposibilidad, como una paradoja. Se trataba ahora de realizar las mediciones y experimentos del caso para ver cómo realmente se comportaba el universo, al margen de nuestras ideaciones o preconcepciones racionales. ¿Cómo es el cosmos realmente? Aquí aparecen los famosos (e hipotéticos) Alice y Bob, que procederán a manipular fotones entrelazados.
La herramienta experimental a testar es una de las variantes de las denominadas desigualdades de Bell, específicamente la desigualdad CHSH. Lo valioso del Nobel 2022 es que responde asuntos fundamentales sobre aspectos en juego, tales como la causalidad o indeterminación, que involucran otros no menos trascendentes como el realismo local del paradigma clásico y los problemas de la medida, uno de los primeros brotes anómalos de la física cuántica. Como se nos ha agotado el espaciotiempo de este artículo, quedaremos en pendiente para darle continuidad en próximas publicaciones, en donde ampliaremos los temas de «Las desigualdades de Bell» y las «Aplicaciones cuánticas»
Quisiera agregar que muchos abusos se han cometido, y se siguen cometiendo, con el calificativo «cuántico», pero en particular con el «entrelazamiento». Muchas supercherías y falsedades circulan, y sería tema aparte el enlistarlas. Por ejemplo, no tiene nada que ver con el amor humano ni con el teletransporte de materia, a la manera de la ciencia ficción. Tampoco con supuestas posibilidades en las que un objeto ocupe varias posiciones en el espacio. Dos partículas entrelazadas ocupan posiciones diferentes y no son la misma partícula en dos sitios diferentes. Estas erradas interpretaciones provienen, usualmente, de una mala lectura y comprensión de los problemas de la medida, recurriendo a inválidos marcos clásicos de conocimiento.
Sin embargo, como hemos mencionado, los experimentos han constatado que las relaciones contraintuitivas de la física cuántica se cumplen, desde el momento que las desigualdades de Bell, correspondientes a una teoría (clásica) de variables ocultas no se satisfacen. Dicho en breve, las evidencias indican que nuestro universo se comporta conforme esa extraña forma, no determinista, que describe las cosas pequeñitas, una que no corresponde con la lógica y la intuición que hemos desarrollado a partir de nuestras experiencias sensibles, del mesomundo, descritas clásicamente. Por ello, este Premio Nobel de Física 2022 elogia los trascendentales experimentos, un grano de arena más que relevante en la carrera hacia una mejor comprensión del cosmos en donde existimos.
Fuente de imágenes ::
[ 1 ] Imagen editada por Vinicio Barrientos Carles :: https://www.bbc.com/mundo/noticias-63128140 + https://es.wikipedia.org/wiki/Leucipo_de_Mileto + https://www.youtube.com/watch?v=xM_kIvOK4f4 + https://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n
[ 2 ] Imagen editada por Vinicio Barrientos Carles :: https://www.bbc.com/mundo/noticias-63145145 + https://www.youtube.com/watch?v=xM_kIvOK4f4 + https://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n
[ 3 ] Imagen editada por Vinicio Barrientos Carles :: https://www.bbc.com/mundo/noticias-63145145 + https://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n + https://www.nobbot.com/futuro/que-es-entrelazamiento-cuantico-concepto/ + https://segundaguerramundial.es/personajes/niels-bohr/ + https://www.youtube.com/watch?v=xM_kIvOK4f4
