La mecánica cuántica lleva décadas desconcertando a los científicos. ¿Una de sus predicciones más extrañas? Las partículas pueden afectarse mutuamente de forma instantánea a grandes distancias, lo que Einstein denominó "espeluznante acción a distancia". En 1964, el físico John Bell demostró que esta rareza es real.
El revolucionario trabajo de Bell, explicado en What Is Real? de Adam Becker, transformó debates filosóficos abstractos en experimentos comprobables. Los resultados conmocionaron al mundo de la física y confirmaron que la realidad funciona de formas mucho más extrañas de lo que habíamos imaginado. Siga leyendo para saber cómo el teorema de Bell cambió nuestra comprensión del universo.
Crédito de la imagen: CERN vía Wikimedia Commons (Licencia). Imagen recortada.
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¿Qué es el teorema de Bell?
El teorema de Bell demuestra que, si la mecánica cuántica es correcta (y los experimentos dicen que lo es), la realidad es fundamentalmente no local, o al menos no se rige por ningún mecanismo clásico oculto. En su libro ¿Qué es lo real?el astrofísico Adam Becker explica el teorema de Bell en el contexto de un debate más amplio dentro de la mecánica cuántica.
Antecedentes del teorema
Becker plantea un enigma fundamental: aunque la mecánica cuántica describe partículas que existen en múltiples estados simultáneamente y se influyen mutuamente a través de las distancias, no observamos estos extraños comportamientos en la vida cotidiana. Cuando los científicos intentan medir sistemas cuánticos, las propiedades cuánticas desaparecen.
Desde los años veinte, los físicos han debatido dónde y por qué se produce la transición de las reglas del comportamiento cuántico al clásico. Según Becker, la mayoría de los físicos evitaron resolver directamente este problema adoptando la "interpretación de Copenhague", que afirma que nada tiene propiedades definidas hasta que se observa, por lo que la realidad objetiva sólo existe a través de la observación. Esto explica convenientemente por qué no vemos rarezas cuánticas en la vida cotidiana.
Sin embargo, Becker sostiene que la interpretación de Copenhague se convirtió en la dominante, no a través de un debate científico riguroso, sino porque las explicaciones alternativas fueron marginadas por influencias políticas y filosóficas en lugar de ser evaluadas con imparcialidad.
A pesar de décadas de hostilidad institucional, las cuestiones fundamentales sobre el significado de la mecánica cuántica resultaron imposibles de eliminar. Becker explica que los avances experimentales y las innovaciones teóricas rehabilitaron gradualmente la investigación fundamental y revelaron que las mismas cuestiones que preocupaban a Einstein y Schrödinger seguían sin resolverse, creando tensiones constantes sobre el propósito último de la ciencia y la naturaleza de la propia realidad.
Cómo el teorema de Bell transforma la filosofía en experimento
La vuelta a estas cuestiones fundamentales comenzó en 1964 con John Bell, escéptico ante un argumento matemático que supuestamente había demostrado que la interpretación de Copenhague era el único enfoque posible de la mecánica cuántica. Este argumento era la "prueba de imposibilidad" de John von Neumann de 1932, que pretendía demostrar que ninguna teoría con "variables ocultas", en la que las partículas tienen propiedades definidas antes de la medición, podía reproducir las predicciones de la mecánica cuántica. Como señala Becker, esto parecía demostrar que posturas realistas como la de Einstein eran matemáticamente imposibles: Si las partículas no pueden tener propiedades definidas antes de la medición, entonces sólo las interpretaciones antirrealistas como la de Copenhague podrían ser correctas.
Pero Bell descubrió que la prueba de von Neumann era errónea. Bell reconsideró entonces el experimento mental de Einstein y transformó sus preocupaciones filosóficas en pruebas matemáticas. Bell razonó que si las partículas tienen propiedades definidas antes de la medición, entonces las mediciones sobre partículas entrelazadas deberían obedecer ciertas restricciones matemáticas sobre lo fuertemente correlacionados que pueden estar los resultados, que se conocieron como "desigualdades de Bell". La mecánica cuántica predice que las partículas entrelazadas violarán estos límites, así que esto dio a los físicos una prueba decisiva, y los experimentos de 1972 y 1982 demostraron que las partículas violan las desigualdades de Bell. Esto significaba que Einstein tenía razón al afirmar que la "espeluznante acción a distancia" era real, pero se equivocaba al afirmar que la mecánica cuántica era incompleta. A la teoría no le faltaba información; la realidad era realmente no local.
| Por qué Bell pensaba que Einstein tenía razón al preocuparse Durante décadas, los físicos desestimaron las preocupaciones de Einstein sobre la mecánica cuántica citando la prueba de von Neumann. Pero la prueba contenía un fallo fatal: suponía que las variables ocultas debían comportarse según una regla de "linealidad" que suena razonable matemáticamente pero no tiene sentido físico. En concreto, von Neumann exigía que si se podían medir dos propiedades cuánticas A y B por separado, también se debería poder medir su combinación matemática (A + B). Pero en mecánica cuántica, muchas propiedades no pueden medirse simultáneamente, por lo que exigir que su combinación sea mensurable carece de sentido físico. Los experimentos que demostraron que las partículas violan las desigualdades de Bell demostraron que las partículas tienen alguna forma de realidad objetiva -apoyando el realismo- al tiempo que confirmaban que la "espeluznante acción a distancia" existe realmente. Esto corroboraba la preocupación de Einstein por las inquietantes implicaciones no locales de la mecánica cuántica: La localidad es fundamental para nuestra comprensión espacial del mundo: nos permite identificar diferentes lugares y tratarlos como independientes. A Einstein le preocupaba que abandonar la localidad significara abandonar nuestro marco de comprensión de la causa y el efecto. El teorema de Bell demostró que la realidad es realmente tan extraña como Einstein temía, validando su intuición de que tal extrañeza merecía una seria preocupación más que una aceptación casual. |
Becker explica que el teorema de Bell obligó a los físicos a tomar una decisión: Abandonar el principio de localidad (y aceptar la idea de conexiones instantáneas a través del espacio), abandonar el realismo (y aceptar que las propiedades no existen antes de la medición) o abandonar la idea de que la mecánica cuántica es completa. Tres interpretaciones alternativas representan diferentes respuestas a esta elección. Todas giran en torno a la cuestión de qué causa el colapso de la función de onda, elmomento en que la "onda de probabilidad" de la ubicación potencial y el momento de una partícula cuántica "colapsa" en las características específicas que adquiere cuando se observa y mide.
Profundice en las cuestiones relacionadas con el teorema de Bell
Becker sitúa eficazmente el trabajo de Bell como parte del debate en curso en la mecánica cuántica. Para saber más sobre el contexto más amplio del teorema, lea la guía completa de Shortform sobre el libro de Becker ¿Qué es real?
