Apuntes científicos desde el MIT

Apuntes científicos desde el MIT

Este Blog empezó gracias a una beca para periodistas científicos en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Boston, donde pasé un año aprendiendo ciencia con el objetivo de contarla después. Ahora continúa desde Nueva York buscando reflexiones científicas en otras instituciones, laboratorios, conferencias, y conversando con cualquier investigador que se preste a compartir su conocimiento.

Qué diantre es el entrelazamiento cuántico

Por: | 19 de noviembre de 2009

Imagínate un par de electrones como si fueran dos monedas idénticas en las que una marca cara y la otra cruz.

Ahora imagínate que ambas monedas poseen esta peculiar propiedad: van alternando cara y cruz a su aire, pero nunca están ambas en la misma posición. Forman parte de un mismo orbital atómico, y por algo llamado principio de exclusión de Pauli, siempre que una esté en cara, la otra marcará cruz. Si yo voy y giro una, la otra se girará automáticamente a la posición opuesta. Espera, no te vayas, continúa leyendo, valdrá la pena lo prometo. Te voy a explicar uno de los fenómenos más inverosímiles de la naturaleza.

Estábamos con esas monedas-electrones que van cambiando constantemente entre cara y cruz, pero que de alguna manera están entrelazadas: Según las leyes de la cuántica, nunca pueden estar ambas en cara o en cruz a la vez. Es físicamente imposible.

Imaginemos un poco más: Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. ¿Qué tendrás entonces? Dos monedas, una en NY y la otra en Bangkok, que en teoría van pasando de una posición a otra, pero continúan conectadas entre ellas. Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara. Y si hubieras abierto la misma caja unos milisegundos más tarde y te hubiera salido cara, la otra se habría colapsado en cruz inmediatamente (recalquemos el inmediatamente). Esto, en teoría cuántica. A la práctica… ¿creéis que esto podría llegar a suceder?

Vayamos ahora a ese apasionante primer tercio del siglo XX, en el que la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica competían para ver quien explicaba mejor la realidad del mundo que nos contiene.

Einstein no se tragaba algunas de las asunciones de la cuántica, sobre todo ese principio de indeterminación de un tal Heisenberg, según el cual en el mundo subatómico no había certezas y resultaba físicamente imposible conocer la posición y movimiento exactos de una partícula en un instante determinado. O esas atroces ecuaciones de su estrambótico colega Schrödinger, implicando que las partículas estaban dispersas en varios lugares a la vez y su estado sólo quedaba definido en el momento que alguien las observaba. “¡Claro que estaban definidas! ”, pensaba Einstein, ”y si la cuántica tenía indeterminaciones, debía ser porque todavía no estaba desarrollada del todo…”. Y para demostrarlo, en 1935 Einstein propuso junto con Podolsky y Rosen el experimento mental EPR, que reflejaba una situación análoga a las cajitas con monedas cara – cruz separadas miles de kilómetros de distancia.

En resumidas cuentas, lo que venía a decir Einstein era que si al abrir la caja de Nueva York ves a la moneda en cara, y de golpe la de Bangkok aparece en cruz, será que… ¡siempre habían sido cara y cruz respectivamente!!! ¿Qué historia era esa de que las partículas van cambiando de estado y comunicándose misteriosamente? Si al abrir la caja te hubiera salido cruz, pues esa moneda contenía la propiedad cruz. Y la otra cara. Y punto. ¿Por qué lo tenía tan claro Einstein? Porque siendo de otra manera se rompía un principio fundamental de las leyes de la naturaleza: “Si con la paradoja EPR coges dos partículas entrelazadas cuánticamente y te llevas una al otro extremo del sistema solar… físicos cuánticos locos; ¿me estáis diciendo que al observar una colapso inmediatamente la otra? Imposible! ¿pero no os dais cuenta que esto es una barbaridad?”. Este inmediatamente rompe con el principio relativista de que nada puede viajar más rápido que la luz. Ni siquiera la información. “¿O acaso tenéis alguna explicación coherente al experimento EPR?”, planteaba Einstein. En realidad, no la tenían. A lo único que podían aferrarse Schrödinger y Heisenberg era a sus ecuaciones matemáticas. La lógica en este caso estaba de parte de Einstein: Si le dices a un tipo en Bangkok que abra una caja y ve una moneda en cruz, no le hagas creer que segundos antes era cara. Bueno… eso quizás podría ser… pero lo que no cuela de ninguna manera es que otra moneda en New York vaya cambiando simultáneamente con la primera.

Lógico el planteamiento de Einstein, no?... Ja! Muerte a la lógica!!! Que le den al sentido común!!! Viva ciencia!!! Por muy inverosímil que os parezca, los físicos cuánticos tenían razón!!! Einstein andaba equivocado, y se hubiera comido su paradoja EPR si hubiera vivido más tiempo.

En 1964 el irlandés John Bell publicó un teorema que escondía un posible experimento para poner a prueba la paradoja EPR, y comprobar si la información podía viajar de manera inmediata entre dos partículas entrelazadas cuánticamente. Bell construyó su teorema con la idea de dar la razón a Einstein, y probar que dos partículas no podían estar correlacionadas hasta el grado que aseguraba la cuántica. Bell no llegó a realizar su experimento, pero en 1982 sí pudo hacerlo el francés Alain Aspect. ¿Y sabéis qué? Exacto!!! Contrariamente a lo que Bell y Einstein suponían, cuando por fin se pudo realizar el experimento EPR, quedó demostrado que dos fotones entrelazados cuánticamente sí podían comunicarse sus propiedades de manera instantánea a pesar de estar separados largas distancias. La paradoja EPR dio la razón a la cuántica, demostrando de nuevo que la realidad es más insólita de lo que podemos llegar a imaginar: Si tienes dos electrones entrelazados uno en NY y el otro en Bangkok, y al mirar a uno ves que es cara, el otro inmediatamente será cruz. Y si te hubieras esperado unos instantes y hubiera salido cruz, el otro sería cara. Fantástico!

Ah!, y no hay truco. Esto se ha corroborado en muchísimas otras ocasiones.

Si os sentís incrédulos, perplejos, pensáis que algo no encaja, o creéis que no habéis terminado de entender el fenómeno en profundidad… no os preocupéis; a la mayoría de físicos también les ocurre.

Quizás por eso, mientras unos intentan aprovechar las propiedades de este misterioso entrelazamiento cuántico en criptografía, computación cuántica, o teletransportación, otros nos quedamos simplemente ensimismados con las fabulosas elucubraciones filosóficas que el entanglement implica sobre la estructura de la naturaleza, fascinados con las viejas-nuevas historias, y expectantes de qué nuevas sorpresas nos irá deparando esta maravilla que es la comprensión científica del mundo.

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Hay 124 Comentarios

Y...¿cómo saben, en este caso las monedas, que están siendo miradas?

La "Ley de los contrarios lo explica perfectamente. No se trata de que dos cosas sean lo mismo y al mismo tiempo distinto, esto es que son cosas distintas, contrarias. Un electrón de carga negativa no se puede transformar en un electrón con carga positiva, porque eso no existe en la naturaleza; ahora una partícula (llamémosle electrón) con carga negativa, no puede pasar a un electrón con carga positiva, porque no existe en la naturaleza, pero si puede pasar a un protón con carga positiva, aunque con distinta masa, que eso ya es otra cuestión. El postulado está bien propuesto, ahora porque pasa así, eso es como, porque la electricidad da calambre. Por lo menos yo lo entiendo así. ¡1Y no soy tan listo como tu eh¡¡ jejej, es broma. Saludos a todos

Buenas, felicidades Pere, buena didáctica! Aunque no soy para nada experto en el tema, añadiré un par de comantarios complementarios, por si ayudan. A lo que comentan Anibalux y burburu: en efecto, en el ejemplo de las dos monedas tal vez no se aprecia diferencias entre la interpretación de "variables ocultas" (las monedas estan en un estado, sea qual sea, y al medir lo determino y punto, pero ellas ya estaban en ése estado) y la de copenhagen (cuántica: las monedas "deciden" su estado cuando hago la medida). Ricemos un poco más el rizo, la monedas "sincronizadas" de las cajitas de Pere no dan vueltas con un eje de rotación fijo, sinó que este también varía al azar. Yo, desde NY, puedo escoger entre hacer dos medidas: 1) presionar la tapa superior e inferior de la cajita para "aplastar" la moneda en este sentido y ver cual era la proyección de la moneda (cara o cruz) en la vertical (eje Z), o 2) presionar el borde izquierdo contra el derecho para ver cual era la proyección (cara o cruz) en este eje (llememosele X). En el caso (1), no podré hacer la medida en el eje X, pq ya he perturbado el giro de las monedas, y en la dirección X ya sólo veré el borde. En el caso (2) ocurre lo mismo en el eje Z. Bien, pongamos que yo decido hacer la medida (1) y me sale cara, inmediatamente, en Bangkok, la moneda deja de girar y cae al suelo mostrando cruz. Según la interpretación de copenhagen, los de Bangkok me pueden adivinar que medida decidí hacer sin que se lo diga a nadie, al mirar ellos su moneda en el eje Z. Si ven cara o cruz, decidí (1), si ven el lado de la moneda decidí (2). Como las monedas estan sincronizadas pueden "notar" e "informar de" lo que ocurre en otro sitio. Y encima lo hacen inmediatamente!! Si todavía no os resulta paradógico, no se como hacerlo más espectacular.... El experimento de Bell es más complicado de explicar, pero su interpretación concuerda con la teoría cuántica y no con la de "variables ocultas". Huelga decir que el caso de las monedas es una simplificación absurda, pero hay gente trabajando (e importantes inversiones) para ver hasta qué punto se puede forzar una situación parecida a lo contado (y de utilidad) con sistemas reales. Las dificultades son básicamente cómo construir una tecnología capaz de mantener y aprovechar el carácter quántico de los electrones en ssistemas macroscópicos, pero esto ya es otra historia... En cuanto a lo que cuenta Federico Canalejo Enrique, el efecto mariposa no tiene nada que ver con este post, ni la dialéctica, ni el ying yang, ni el emparedado de atún. Y aprovecho para decir que la cuántica no habla del poder de la mente sobre la materia, y que el misticismo cuántico es tan cansino como los extraterrestres que nos rodean. Pero me alegro que además de didáctico, Pere, seas muso. Ale, a cuidarse, y disculpad la acritud del último párrafo...

"""Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. (...) Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara.""" Esto lo entiendo, lo que no entiendo es por qué el cambio se asocia a una pareja determinada de electrones y, por ende, cómo se distingue su cambio de estado del simple ruido. Se asume que los dos electrones están conectados porque, al cambiar uno, el otro cambia, pero igual resulta que, al cambiar el primero, el que cambia es un tercero, y que el segundo simplemente va a su rollo. Que siempre caiga en un valor opuesto al del primero podría explicarse por influencia de la propia observación (que es de hecho la que desencadena la paradoja), en el sentido de que nuestra propia observación demuestra que habría hecho falta observar uno de los electrones de la pareja para que tuviera el valor del primero, de lo cual se sigue también que el no observado tendrá el otro valor. A mí el comportamiento de ambos electrones me parece perfectamente lógico e independiente. Sería como una observación por "casualidad abrumadora": si siempre que le diéramos al interruptor de la luz del salón, la bombilla explotara, acabaríamos pensando que la función del interruptor es justamente hacer explotar la bombilla (en lugar de encenderla), aun cuando nuestra errónea generalización podría ser fruto simplemente de una superabundancia de ruido (anormalmente numerosas explosiones accidentales de la bombilla) y ejemplos irrelevantes o alguna ley desconocida (e.g. haberse alcanzado una situación en la que una única compañía chapucera tiene el monopolio de las bombillas) saturando toda nuestra capacidad de discriminación y creando efectos como el observado. Así, obtendríamos lo mismo si donde nosotros vemos una pareja de electrones, hubiera en realidad muchos y sólo tuviéramos en cuenta esos dos por la naturaleza de nuestra propia observación (no lo bastante sensible para apreciar las fronteras entre ellos y, como resultado, capaz sólo de ver los extremos de un continuo de electrones). Está muy bien eso de asumir que, dada la pareja de electrones, los dos cambian al mismo tiempo a cualquier distancia, pero podría ser falso; la predicción interesante, pero yo diría que imposible, sería saber qué electrón exactamente ha cambiado dada no una pareja, sino sólo uno de sus miembros. A ver quién es el listo entonces que dice que se ha transmitido información, si con saber que un electrón ha cambiado de signo todavía no sabes con qué otro, de otro todos, está asociado.

Pues yo asistí a una conferencia que dio Alain Aspect cuando recibió la medalla de oro del CNRS. En su charla habló de ciencias, claro, pero también de la política del gobierno, de la educación de los niños, o de porque los jóvenes de hoy en día son como son… Fue muy decepcionante. Tanto físicamente como intelectualmente, el hombre parecía un notable, un burgués de pequeña ciudad provinciana: un bigotudo satisfecho y orgulloso de su posición social, su sentido del humor y su inteligencia, y con los años suficientes para opinar con seguridad sobre cualquier tema. Lo más curioso, es que en la charla apelaba constantemente al sentido común: “si los políticos tuviesen más sentido común…” “no hace falta mucho sentido común para entender que así, Francia no llegará a nada”, etcétera. Y yo pensaba, vaya, ¿como puede ser éste el hombre de las paradojas más locas de la física?

Lo que dice Buruburu me parece bastante plausible. Quizás es que, simplemente, ese par de electrones, fotones, o lo que sean, están sincronizados y la distancia no separa esa sincronización.

Desde mi ignorancia, supongo que el cambio de estado más que "viajar" de un electrón a otro se refiere a "cómo es". Y ese "ser sincronizado" se mantiene a pesar de la distiancia. Según la relatividad, para los fotones que van a la velocida de la luz el universo en un sólo punto, que recorre en un instante (d=0 y t=0). Así que esos fotones podrían estar sincronizados sin problemas, aunque en nuestro sistema de coordenadas los situemos muy lejos unos de otros... La ciencia nos hace ver que cuantas más cosas sabemos... más problemas pendientes de resolver nos encontramos.

Debo ser muy bruto, porque lo único que saco en claro de tu ejemplo es que las dos monedas estan sicronizadas, y esa sincronia no se rompe con la distancia.

Entonces, a ver si me ha quedado mas o menos claro ¿si un electrón enlazado con otro cambia de estado el otro cambia instantáneamente? si es así ¿se podría decir que hay algo que viaja mas rápido que la luz?

Precisamente el sábado pásado intenté explicarles esto mismo a unos amigos en un bar de copas. No conseguí articularlo demasiado bien, pero hoy voy a quedar como un sabio gracias a tu magnífico texto. Una duda, ¿por qué Alain Aspect no tiene un mayor reconocimiento mundial?

"¡Muerte a la lógica!" Mira que me gusta que la gente piense, ¡pero es que en ciencia eso es verdad! Es un tema que cuando oí a hablar de él la primera vez me entusiasmó, pero no sabía esa historia de Einstein. Cada vez estamos más cerca de algo parecido a Star Trek. XD

Muu bueno Pere! Creo que sería interesante que lograras relacionar este post con el tema de la decoherencia, que se puede ligar con las relaciones subatómicas y esto que has comentado de la encriptación y los ordenadores cuánticos. Sigue así!

Pere, este post es una maravilla! Gracias!

Muy bien explicado, y muy interesante. Lo que demuestra que los temas más peliagudos también se pueden divulgar. Los que piden una explicación de "cómo" se produce el entrelazamiento, es como si pidiesen una explicación de por qué da calambres la electricidad. La razón es porque mundo físico es así, y eso es lo que el experimento de Alain Aspect reveló. Si hay una explicación más profunda, de momento nadie la conoce...

[8D]Excùsame que se me chispoteo, decìa que eso de explicar el principio de incertidumbre, rebatiendo la paradoja EPR es extremadamente dificil y con la elegancia y las similituides como lo has realizado, mejor. Al leer tu artìculo pensè que serìa interesante y efectivamente asì lo fue, ya que el mismo es muy didàctico, como dice alguien por ahì.

[8D]Muy buen artìculo este Pere y en verdad didàctico, porq

Me ha fascinado tu capacidad didáctica. Qué tiene esto que ver con este nuevo paradigma de "el observador modifica lo observado" XXX

como se transmite instantaneamente el entrelazamiento? No has dado ninguna explicacion plausible

Debe haber algunas variables ocultas que aún no se han detectado. Diría Einstein. (Los seguidores de las teorías de variables ocultas conciben la mecánica cuántica como una descripción provisional del mundo físico. Creen en la existencia de teorías en que los comportamientos probabilísticos de la teoría cuántica se corresponderían con un comportamiento estadístico asociado a partes del sistema y parámetros que no nos son accesibles [variables ocultas]. Es decir, conciben las probabilidades cuánticas como fruto del desconocimiento de estos parámetros). Dos errores científicos tuvo Einstein: La constante cosmológica y las “variables ocultas”, que en vano buscó durante más treinta años para refutar el indeterminismo cuántico. Aunque... quién sabe si... La sospecha de Haldane parece confirmarse: "el Universo no sólo es más extraño de lo que imaginamos, sino más extraño de lo que podemos imaginar".

Enhorabuena, Pere, te has superado. Me ha encantado, e incluso me he reído con tu introducción ("Espera, no te vayas"). Consigues contar algo increíblemente complejo y opuesto a la lógica y a la intuición con narratividad y verdadero gancho. Se me ha hecho muy corto, pero así es el blog. Ahora sólo decir, a título de anécdota, que el efecto entaglement, siendo verdad, es tan rocambolesco y fantacientífico que ha sido utilizado por parapsicólogos y mentalistas para sus trasnochadas ideas y también inspirado una nueva filosofía new age llamada "El nuevo paradigma", resumida en ese horror de reportaje "¿Y tú qué sabes? Dentro de la madriguera". De ahí, universos holográficos, interconexión mente-materia y cualquier disparate vale. Más adelante te haré alguna preguntilla. ¡GRACIAS!

Es el efecto mariposa: un pequeño gesto puede ocasionar grandes transformaciones. La ola que comienza en una esquina de un estadio de fútbol y en un instante está recorriendo todo el campo, o si una mariposa bate sus alas en Hong Kong, puede provocar una tempestad en Buenos Aires. Pequeñas modificaciones pueden provocar grandes cambios. En realidad todo está emparejado: el sí con el no, la materia con la antimateria, el protón con el electrón, la materia cósmica densa con la materia oscura, el sol con la luna, el día con la noche, el odio con el amor. Es la ley de los contrarios fundamento de la dialéctica. Que dice: La esencia de la ley dialéctica de la unidad y lucha de contrarios está en que lo objetos y los fenómenos se desdoblan en tendencias contrapuestas, constituyen una unidad de contrarios. Las tendencias contrapuestas no existen simplemente, sino que se encuentran en estado de contradicción y lucha permanente entre ellas. La lucha de contrarios constituye el contenido interno y la fuente de desarrollo de la realidad. Saludos amigos Muy bueno el post

!Viejas y nuevas. Viva la Ciencia!. Gracias una vez más Pere.

Bravo, Pere, pero como se transmite instantaneamente el entrelazamiento?

Esto da para un montón de metáforas. Siempre interesante.

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Sobre el autor

Pere Estupinya

. Soy químico, bioquímico, y un omnívoro de la ciencia, que ya lleva cierto tiempo contándola como excusa para poder aprenderla.
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