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  • 13/02/2017

MECÁNICA CUÁNTICA

Física cuántica con estrellas

Un experimento recrea el célebre test de Bell empleando la luz de estrellas lejanas para determinar qué medidas efectuar sobre los pares de partículas entrelazadas.

Physical Review Letters

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Diagrama causal del test de Bell con luz estelar efectuado en Viena. El eje vertical representa el tiempo. El experimento tiene lugar en O (la Tierra, hoy); la luz empleada para decidir las medidas fue emitida en los puntos A* y B*. Las interpretaciones de la mecánica cuántica basadas en variables ocultas locales quedan descartadas en la zona gris de la parte superior derecha, cuyo margen temporal mínimo se extiende unos 600 años hacia el pasado. [De: «Cosmic Bell test: Measurement settings from Milky Way stars», J. Handsteiner et al. en Physical Review Letters, 118, febrero de 2017. CC-BY 4.0]

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¿Conspira la naturaleza para hacernos creer que el mundo obedece las leyes de la física cuántica cuando, en realidad, lo que subyace a esas leyes no es otra cosa que una descripción clásica? Esta es, en cierto sentido, la pregunta que ha intentado abordar un experimento reciente.

Como probablemente esperaban la mayoría de los físicos, la respuesta es negativa. Si el universo hubiese confabulado para determinar los resultados del experimento en cuestión, efectuado en Viena el 21 y el 22 de abril de 2016, semejante conspración tendría que haber comenzado a fraguarse hace al menos 600 años, el tiempo mínimo que ha tardado en llegar a la Tierra la luz de ciertas estrellas distantes usadas en el experimento. El estudio, en el que han participado científicos del renombre de Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, o Alan Guth, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, se publica en Physical Review Letters.

Según la mecánica cuántica, las propiedades de un sistema físico no están bien definidas hasta que no se miden en un experimento. No es que dichas propiedades existan pero sean desconocidas antes de la medida, sino que, en un sentido preciso, no se materializan hasta que no se observan. Las teorías que rechazan esta conclusión reciben el nombre de «realistas», o clásicas. Según ellas, la incertidumbre cuántica no sería más que una ilusión debida al desconocimiento de toda una serie de «variables ocultas», las cuales sí especificarían por completo el estado de un sistema físico con independencia de si este es observado o no.

Aunque esa dicotomía entre realismo y leyes cuánticas pueda parecer una cuestión puramente filosófica o interpretativa, en 1964 John Bell demostró que, bajo ciertas condiciones experimentales, las predicciones de cualquier teoría de variables ocultas locales —fuera esta la que fuese— tenían forzosamente que diferir de las predicciones cuánticas.

El montaje que permite distinguir entre ambas posibilidades, conocido como test de Bell, es el siguiente: primero, una fuente genera dos partículas entrelazadas, es decir, partículas cuyas propiedades no son completamente independientes; después, se envía una de ellas a un laboratorio (A) y la otra a un segundo (B), incomunicado del primero; por último, cada laboratorio decide qué propiedad medir de la partícula que recibe. Por ejemplo, puede que un experimentador en A opte por medir la posición de su partícula, mientras que otro en B tal vez decida medir el momento (o cualquier otra combinación de tales variables). Bell demostró que, si dicho experimento se repetía muchas veces, los resultados de las mediciones efectuadas en A y en B mostrarían ciertas correlaciones (regularidades estadísticas) si la naturaleza se regía por una teoría de variables ocultas, y otras muy distintas si el mundo era cuántico.

Desde los años setenta, el test de Bell se ha llevado a cabo un sinnúmero de veces y sus resultados han confirmado siempre las predicciones de la teoría cuántica. No obstante, los tests de tipo Bell tienen siempre una suposición implícita: que las decisiones tomadas en A y en B sobre qué propiedades medir son realmente independientes. Es decir, que ninguna causa oculta «obliga» al laboratorio A a medir la posición de su partícula (por ejemplo) cuando en B se mide el momento. Esa posibilidad rayana en la paranoia se conoce como «laguna de la libre elección», y es la que ahora se ha propuesto explorar el experimento efectuado en Viena.

Para ello, los investigadores establecieron que las mediciones efectuadas en cada uno de los laboratorios A y B se decidirían a partir del color de los fotones procedentes de sendas estrellas lejanas de la Vía Láctea. La recepción en tiempo real de un fotón cuya frecuencia cayese en el lado «rojo» del espectro desencadenaría un tipo de medida, mientras que la de un fotón «azul» induciría la medida complementaria. Dado que, desde el momento de su emisión, la luz de las estrellas elegidas para el experimento ha tardado cientos de años en llegar a la Tierra, cualquier «conspiración» de la naturaleza tendría que haber comenzado antes de ese momento. El trabajo se suma a otros estudios que, hace poco, han logrado cerrar otras posibles lagunas existentes en los tests de Bell, o que incluso han empleado decisiones humanas en tiempo real para determinar las medidas.

Los resultados del nuevo experimento han confirmado una vez más las predicciones cuánticas. Como consecuencia, cualquier explicación de los datos basada en variables ocultas locales tendría que haber comenzado a actuar hace al menos unos 600 años, el tiempo que ha tardado la luz de la estrella más cercana en llegar a nuestro planeta. En su artículo, los autores señalan que su montaje abre la puerta a emplear fuentes astronómicas cada vez más lejanas, desde galaxias y cuásares hasta el fondo cósmico de microondas, a fin de hacer retroceder cada vez más en la historia cósmica la validez de las explicaciones de la mecánica cuántica basadas en variables ocultas.

Más información en Physical Review Letters (el artículo técnico es de acceso libre) y Physics.

—IyC

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