Ciència

El significat i la història del test de Bell
Un test de Bell és un experiment per decidir si el món és tan estrany com diu la mecànica quàntica. La nostra experiència diària ens diu que la matèria inanimada té una realitat que és independent de nosaltres. Per exemple, creiem que la Lluna gira al voltant de la Terra des d’abans que hi hagués algú per adonar-se’n. La física quàntica sembla dir una cosa diferent: que l’acte d’observar el món el pot canviar. Niels Bohr, figura destacada de la mecànica quàntica, va arribar a afirmar que observables com “la posició de l’àtom” no tenen sentit fins que algú els mesura. Si això fos cert, l’acte d’observar alteraria el món o, fins i tot, podria ser que el creés, fet que entraria en contradicció amb l’existència d’una realitat independent. Físics i filòsofs han debatut la interpretació de Bohr de la mecànica quàntica des que va ser publicada el 1927.
Les objeccions d'Einstein
Albert Einstein va ser l’opositor més ferm a la interpretació de Bohr. En un debat amb el seu amic Bohr que va durar força anys, Einstein va enunciar dos principis que tenia per fonamentals: per una banda el realisme, que diu que els objectes tenen propietats ben definides encara que no els estiguem mirant i, per l’altra la localitat, que diu que els objectes només poden ser afectats per causes en el seu entorn immediat, no per “acció a distància”. Entre altres factors, la localitat és important per a la teoria de la relativitat, en la qual espai i temps depenen de l’observador. A la relativitat, la localitat assegura que els efectes ocorren després, i no abans, de les causes.
El 1935, Einstein i els seus col·legues Podolsky i Rosen van publicar un fort atac a la interpretació de Bohr que ara s’anomena la paradoxa d’Einstein-Podolsky-Rosen. La paradoxa fa servir la matemàtica de la mecànica quàntica per descriure un parell de partícules en llocs diferents. Segons la interpretació de Bohr, quan es mesura una partícula, l’altra partícula canvia a l’instant, encara que estigui molt lluny de la primera partícula. Einstein considerava aquesta comunicació entre partícules tan poc plausible (l’anomenava “acció fantasmal a distància”) que per si mateixa refutava l’afirmació de Bohr que el mesurament influeix el món. L’article d’Einstein, Podolsky i Rosen també suggeria que s’hauria de reemplaçar la mecànica quàntica amb una teoria més completa que especifiqués com és el món quan no l’estem observant. Tanmateix, Einstein no va poder oferir una teoria d’aquestes característiques.
El teorema de Bell: la mecànica quàntica és incompatible amb el realisme local
El 1964, John Bell, un físic del CERN, va formular les posicions filosòfiques d’Einstein de localitat i realisme en una descripció matemàtica precisa que ara s’anomena “realisme local”. Amb aquesta descripció matemàtica, va demostrar que la visió del món del realisme local d’Einstein és incompatible amb la mecànica quàntica. Això vol dir que hi ha experiments per als quals la mecànica quàntica ofereix una predicció i qualsevol de les teories que Einstein hauria aprovat n’ofereix una altra. D’aquesta manera la feina de Bell va fer possible avaluar en un laboratori el que fins llavors havia estat una qüestió merament filosòfica.
Tests de Bell: a qui dóna la raó la natura? A Einstein o a Bohr?
Encara cal resoldre la qüestió de si la natura dóna la raó a Einstein o a Bohr. Per saber-ho cal fer un experiment, un test de Bell. Aquest experiment s’assembla molt al plantejament d’Einstein, Podolsky i Rosen: l’experimentador produeix un parell de partícules entrellaçades (entrellaçament vol dir que les seves propietats presenten una correlació forta; per exemple: si una va gira a l’esquerra, l’altra ha de girar també cap a l’esquerra) i les envia a dues estacions de mesurament separades, anomenades tradicionalment Alice i Bob. Alice i Bob fan mesuraments simultanis i impredictibles de les partícules. La mecànica quàntica diu que el mesurament que faci Alice influirà a l’instant sobre la partícula de Bob, amb l’efecte que els resultats dels mesuraments coincidiran. Per al realisme local, aquesta mena d’influència no pot produir-se, i els resultats dels mesuraments d’Alice i Bob sovint no coincidiran. El fet que els resultats dels mesuraments coincideixin o no, anomenat correlació, és el que permet a un experiment emetre una conclusió sobre el realisme local.
Els primers tests experimentals es van fer als inicis de la dècada de 1970, però eren molt difícils de dur a terme i van obtenir resultats contradictoris. Tanmateix, el 1982 una nova generació d’experiments va mostrar amb claredat correlacions tan fortes que el realisme local no era capaç d’explicar. Semblava que la mecànica quàntica per fi havia guanyat el debat. Però van aparèixer nous dubtes sota la forma del que s’ha anomenat loopholes…
Els tests de Bell de 2015 lliures de loopholes
El 2015, tres experiments extraordinàriament avançats duts a terme a la Universitat Tècnica de Delft (Països Baixos), IQOQI Viena (Àustria), i el NIST a Boulder (EUA), van resoldre els “loopholes ” dels tests anteriors , i van oferir a més forts arguments físics sobre la impredictibilitat de les seves mesures. Van utilitzar generadors de nombres aleatoris que usaven esdeveniments físics impredictibles (com l’emissió espontània, que Einstein també va estudiar) per a triar les mesures. Els resultats van ser clars: van veure correlacions massa forts per ser consistents amb el realisme local. El New York Times va resumir la situació: “Em Sap Greu, Einstein, un Estudi Quàntic Semblen Demostrar que la ‘Acció Fantasmal a Distància’ és Real”.
El BIG Bell Test de 2016
El BIG Bell Test (BBT) és un projecte mundial per portar la aleatorietat humana a experiments de física quàntica d’avantguarda. El 30 de novembre, molta gent contribuirà amb els seus bits aleatoris, que seran distribuïts en temps real entre grups experimentals de tot el món (mira el mapa) per al seu ús en experiments de física quàntica, incloent el primer test de Bell que funciona amb atzar generat per persones. A més de demostrar principis físics fonamentals, com la no-localitat, l’atzar humà és útil en aplicacions importants, com ara les comunicacions segures, i també com una “llavor ” per a la generació de més atzar. Pots trobar una descripció de tots els experiments a El BIG Bell Test A Prop Teu(vegeu el menú).
Per què física quàntica amb persones?
Per tal de ser convincent, un test de Bell s’ha de fer sota condicions estrictes. Una d’aquestes condicions és usar input impredictible i independent per a decidir quines mesures realitzar sobre les diferents partícules quàntiques. Hi ha moltes maneres de garantir aquesta independència; el BIG Bell Test farà servir als Bellsters, ments humanes lliures, independents entre si, per controlar, mitjançant a les seves decisions, les mesures sobre les partícules quàntiques. A diferència d’electrons, protons o el bosó de Higgs, que són partícules perfectament intercanviables entre si i que es comporten de manera similar a les mateixes condicions, cada ésser humà es comporta a la seva manera, la qual cosa és molt valuosa per als requisits d’un test de Bell. El BIG Bell Test té com a objectiu mostrar per primera vegada que les decisions humanes poden contribuir a la ciència fonamental, i al mateix temps dur a terme una sèrie d’experiments que mai abans s’havia proposat cap laboratori.
Per què tanta gent?
Com en qualsevol altre experiment científic volem assegurar-nos que el resultat sigui precís per saber que l’efecte que observem és realment una conseqüència de les propietats del món físic. Una manera molt corrent de reduir la incertesa del resultat d’un experiment és repetir-lo moltes vegades i llavors comprovar si els resultats són estadísticament significatius. És com provar de saber si una moneda té biaix: si només la llancem un parell de vegades, no en podem estar segurs, però, a mesura que el nombre de tirades augmenta, obtenim una estimació cada cop més precisa d’amb quina freqüència surt cara o creu.
Cada nombre aleatori que aporta la comunitat dels bellsters permet als científics dur a terme l’experiment un altra vegada i arribar a un resultat més precís. A més, com més diferents siguin els individus que hi participin, més ens assegurem de la independència estadística que és tan important per aquest tipus d’experiments. Aquesta és una ocasió per dir: com més serem, més riurem!
Com va funcionar?
Els participants van aportar els seus bits mitjançant aquest lloc web. Van haver dues maneres de participar: fent servir (1) una interfície senzilla on introdueixes zeros i uns tan ràpid com puguis, o (2) un videojoc. Tots aquests bits es van enviar directament als experiments per tal d’escollir els mesuraments. D’aquesta manera, cada bit generat per un ésser humà que va ser utilitzar a l’experiment va ser el resultat d’un procés de decisió conscient i únic.
El dia de l’experiment l’ICFO va repartir a temps real l’aleatorietat generada per humans a tests de Bell d’alta qualitat (i experiments relacionats) d’arreu del món. En paral·lel, també vam repartir nombres aleatoris provinents d’un generador de nombres aleatoris d’origen físic dissenyat i construït per l’ICFO. Un servidor al núvol va recollir tots els nombres aleatoris i els va repartir als grups que duen a terme els experiments a través d’Internet. Tots els bits generats per éssers humans abans i durant l’experiment també es van arxivar per ser estudiats posteriorment.

Si vols saber més, pots visitar la web del joc: The BIG Bell Test Museum

Què va passar a cada laboratori?
Els grups que duen a terme els experiments van rebre tres fluxos de bits aleatoris: un en temps real provinent dels participants, un altre en temps real provinent del generador de nombres aleatoris d’origen físic de l’ICFO i encara un altre de bits d’arxiu, que els participants van introduir amb anterioritat.
Cada un dels grups va col·laborar duent a terme experiments molt interessants amb l’aleatorietat generada per éssers humans. Vols saber més? A la pàgina de resultats trobaràs info de cada un dels laboratoris.
quantum
BBT ICFO