Ciencia

La historia y el significado del test de Bell
Un test de Bell es un experimento que decide si el mundo es tan extraño como explica la mecánica cuántica. Nuestra experiencia diaria nos enseña que la materia inanimada tiene una realidad independiente de nosotros. Por ejemplo, creemos que la Luna gira alrededor de la Tierra desde antes de que hubiera alguien para darse cuenta. La física cuántica parece decir una cosa diferente: que el acto de observar el mundo lo puede cambiar. Niels Bohr, una figura de excepcional influencia en la mecánica cuántica, afirmó incluso que observables como “la posición del átomo” no tienen sentido hasta que alguien los mide. Si eso fuera cierto, el acto de observar alteraría el mundo, o incluso podría ser que lo creara, lo que entraría en contradicción con la existencia de una realidad independiente. Físicos y filósofos han debatido la interpretación de Bohr de la mecánica cuántica desde que fue publicada en 1927.
Objecciones de Einstein
Albert Einstein opuso la resistencia más vehemente a la interpretación de Bohr. En un largo debate con su por otro lado gran amigo, Einstein enunció dos principios que consideraba fundamentales: por un lado, el realismo, que sostiene que que los objetos tienen propiedades bien definidas aunque no los estemos mirando; y, por otro, la localidad, que dice que los objetos sólo pueden ser afectados por causas en su entorno inmediato, y no por “acción a distancia” alguna. Entre otros factores, la localidad es importante para la teoría de la relatividad, en la que espacio y tiempo dependen del observador. En la relatividad, la localidad asegura que los efectos ocurren después, y no antes, de las causas.
En 1935, Einstein y sus colegas Podolsky y Rosen construyeron un poderoso ataque a la interpretación de Bohr, conocida ahora como la “paradoja EPR”. La paradoja formaliza mediante el lenguaje matemático de la mecánica cuántica el comportamiento de un par de partículas entrelazadas separadas una cierta distancia. Bajo la interpretación de Bohr, al medir una de las partículas, la otra cambiaría al instante, sin importar la distancia de separación entre ellas. Einstein estimaba esta comunicación instantánea entre las partículas, a la que denominó “acción fantasmal a distancia” tan poco plausible, que la consideró como prueba en contra de las afirmaciones de Bohr acerca del efecto de la medida en el mundo. El artículo de Einstein, Podolsky y Rosen también sugería que la mecánica cuántica debería ser reemplazada por una teoría más completa, una que también especificase cómo es el mundo cuando no lo estamos mirando. Sin embargo, Einstein no pudo ofrecer ninguna teoría de estas características.
El teorema de Bell: la mecánica cuántica es incompatible con el realismo local
En 1964, John Bell, un físico del CERN, formuló las posiciones filosóficas de Einstein de localidad y realismo en una descripción matemática precisa que ahora se denomina “realismo local”. Con esta descripción matemática, demostró que la visión del mundo del realismo local de Einstein es incompatible con la mecánica cuántica. Eso quiere decir que hay experimentos para los que la mecánica cuántica ofrece una predicción y cualquiera de las teorías acordes con la visión de Einstein ofrece otra. De este modo, el trabajo de Bell hizo posible probar en un laboratorio lo que hasta entonces había sido una cuestión meramente filosófica.
Tests de Bell: ¿a quién da la razón la naturaleza? ¿A Einstein o a Bohr?
Todavía hay que resolver la cuestión de si la naturaleza da la razón a Einstein o a Bohr. Para saberlo hay que hacer un experimento, un test de Bell. Este experimento se parece mucho al planteamiento de Einstein, Podolsky y Rosen: el científico produce un par de partículas entrelazadas (entrelazamiento quiere decir que sus propiedades presentan una correlación fuerte; por ejemplo: si una gira hacia la izquierda, la otra tiene que girar también hacia la izquierda) y las envía a dos estaciones de medición separadas, denominadas tradicionalmente “Alice” y Bob. Alice y Bob realizan medidas simultáneas e impredecibles sobre las partículas. La mecánica cuántica dice que la medición que haga Alice influirá instantáneamente sobre la partícula de Bob, con el efecto de que los resultados de las medidas coincidirán. Según el realismo local, este tipo de influencia no puede producirse, y los resultados de las mediciones de Alice y Bob a menudo no coincidirán. El hecho de que los resultados de las mediciones coincidan o no, denominado correlación, es lo que permitiría a un experimento emitir una conclusión sobre el realismo local.
Los primeros tests experimentales se realizaron a inicios de la década de 1970, pero eran muy difíciles de llevar a cabo y obtuvieron resultados contradictorios. Sin embargo, en 1982 una nueva generación de experimentos mostró con claridad correlaciones demasiado fuertes como para ser explicadas por el realismo local. Parecía que la mecánica cuántica por fin había ganado el debate. Sin embargo, aparecieron nuevas dudas bajo la forma de lo que se ha venido llamando loopholes…
Los tests de Bell de 2015 libres de loopholes
En 2015, tres experimentos extraordinariamente avanzados llevados a cabo en la Universidad Técnica de Delft (Países Bajos), IQOQI Viena (Austria), y el NIST en Boulder (EE.UU.), resolvieron los “loopholes” de los tests anteriores, y ofrecieron además fuertes argumentos físicos sobre la impredecibilidad de sus medidas. Utilizaron generadores de números aleatorios que usaban eventos físicos impredecibles (como la emisión espontánea, que Einstein también estudió) para elegir las medidas. Los resultados fueron claros: vieron correlaciones demasiado fuertes para ser consistentes con el realismo local. El New York Times resumió la situación: “Lo siento, Einstein, un Estudio Cuántico Parecen Demostrar que la ‘Acción Fantasmal a Distancia’ es Real.”
El BIG Bell Test de 2016
El BIG Bell Test (BBT) es un proyecto mundial para llevar la aleatoriedad humana a experimentos de física cuántica de vanguardia. El 30 de noviembre, mucha gente contribuirá con sus bits aleatorios, que serán distribuidos en tiempo real entre grupos experimentales de todo el mundo (mira el mapa) para su uso en experimentos de física cuántica, incluyendo el primer test de Bell que funciona con azar generado por personas. Además de demostrar principios físicos fundamentales, como la no-localidad, el azar humano es útil en aplicaciones importantes, como las comunicaciones seguras, y también como una “semilla” para la generación de más azar. Puedes encontrar una descripción de todos los experimentos en El BIG Bell Test Cerca de Ti (véase el menú).
¿Por qué física cuántica con personas?
Para ser convincente, un test de Bell debe realizarse bajo condiciones estrictas. Una de estas condiciones es usar input impredecible e independiente para decidir qué medidas realizar sobre las diferentes partículas cuánticas. Hay muchas maneras de garantizar esta independencia; el BIG Bell Test utilizará a los Bellsters, mentes humanas libres, independientes entre sí, para controlar las medidas de las partículas cuánticas a través de sus decisiones. A diferencia de electrones, protones o el bosón de Higgs, que son partículas perfectamente intercambiables entre sí y que se comportan de manera similar en las mismas condiciones, cada ser humano actúa a su manera, lo cual es muy valioso para los requisitos de un test de Bell. El BIG Bell Test tiene como objetivo mostrar por primera vez que las decisiones humanas pueden contribuir a la ciencia fundamental, y al mismo tiempo llevar a cabo una serie de experimentos que nunca antes se había propuesto ningún laboratorio.
¿Por qué tanta gente?
Como en cualquier otro experimento científico, queremos asegurarnos que el resultado sea preciso para saber que el efecto que observamos es realmente una consecuencia de las propiedades del mundo físico. Una manera muy corriente de reducir la incertidumbre del resultado de un experimento es repetirlo muchas veces y entonces comprobar si los resultados son estadísticamente significativos. Es como intentar saber si una moneda tiene sesgo: si solo la lanzamos un par a veces, no podemos estar seguros, pero, a medida que el número de tiradas aumenta, obtenemos una estimación cada vez más precisa de con qué frecuencia sale cara o cruz.
Cada número aleatorio que aporta la comunidad “Bellster” permite a los científicos realizar el experimento otra vez y llegar a un resultado más preciso. Además, cuanto más diferentes sean los individuos que participen, más nos aseguramos de la independencia estadística que es tan importante por este tipo de experimentos. Ésta es una ocasión para decir: ¡Cuantos más, mejor!
¿Cómo funcionó?
Los participantes aportaron sus bits mediante este sitio web. Hubieron dos maneras de participar: utilizando (1) una interfaz sencilla donde se introducían ceros y unos tan rápido como puedas, o (2) un videojuego. Todos estos bits se enviaron directamente a los experimentos para escoger las mediciones. De esta manera, cada bit generado por un ser humano que se utilizó en el experimento fue el resultado de un proceso de decisión consciente y único.
El día del experimento ICFO repartió en tiempo real la aleatoriedad generada por humanos a diversos tests de Bell de alta calidad (y experimentos relacionados) de todo el mundo. En paralelo, también repartimos números aleatorios provenientes de un generador de números aleatorios de origen físico diseñado y construido por el ICFO. Un servidor en la nube recibió todos los números aleatorios y los repartió a los grupos que llevan a cabo los experimentos a través de Internet. Todos los bits generados por humanos antes y durante el experimento también se archivaron para ser estudiados posteriormente. Si quieres saber más puedes visitar la web del juego The BIG Bell Test Museum
¿Qué pasó en cada laboratorio?
Los grupos que llevaron a cabo los experimentos recibieron tres flujos de bits aleatorios: uno en tiempo real proveniente de los participantes, otro en tiempo real proveniente del generador de números aleatorios de origen físico del ICFO y un tercero de bits de archivo, que los participantes habían introducido anteriormente.
Cada uno de los grupos colaboraró llevando a cabo los experimentos más interesantes que pudo con la aleatoriedad generada por seres humanos. ¿Quieres saber más? Puedes visitar la página de resultados, con info sobre los experimentos de cada laboratorio aquí.
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BBT ICFO