No me creo la mecánica cuántica… así que demostraré que es cierta


Justamente esta es la perspectiva inicial y la consecuencia del trabajo del Físico (sí, Físico con Mayúsculas) John Bell acerca de sus trabajos sobre los fundamentos de la mecánica cuántica.

En esta entrada no voy a profundizar en los aspectos matemáticos ni técnicos del trabajo de Bell, ya tendremos tiempo para ello.  Lo que nos interesa en estos momentos es saber el cómo y el por qué del trabajo de Bell, cuál fue su conclusión  y porqué es tan famoso.

La mecánica cuántica y sus problemas

En nuestra vida diaria se cumple eso de:

Lo que pasa en Las Vegas se queda en Las Vegas

Esto es una forma de decir que lo que ocurre en un punto del espacio no afecta de forma inmediata a otro punto del espacio a no ser que la información tenga tiempo de propagarse de un punto a otro.  Y ya sabemos que la información se traslada bajo un soporte de materia y/o energía con lo que no puede propagarse a velocidades superiores a la de la luz.

Es decir, no hay cosas que afecten a otras de forma instantánea.  Sin embargo, en un mundo cuántico hay fenómenos que tienen influencia en distintos puntos del espacio, no importa lo separados que estén, de manera instantánea.  Esto es debido a lo que se conoce como entrelazamiento cuántico.

Supongamos que tenemos un sistema con una característica llamada color. Esta característica puede tomar dos valores, naranja y azul… Y la combinación de naranja+azul nos da blanco. Además esta característica es conservada, es decir, que si tenemos una partícula inicialmente blanca que se desintegra en un par de partículas una de ellas tiene que ser naranja y la otra azul.

Si la partícula se desintegra en dos, hasta que no medimos su color no sabemos si una es naranja o azul, y no lo sabemos de ninguna de las dos.

Supongamos que una de las partículas la reciben en Las Vegas y la otra en Albacete. Cuando en Las Vegas el físico a cargo del experimento mide el color de la partícula descubre que es naranja… en ese momento sabe que cuando le llegue la partícula al que está en Albacete le saldrá Azul.

El punto clave aquí es que según la mecánica cuántica ninguno de los dos observadores saben a priori si lo que va a obtener es azul o naranja, es decir, a cada uno de ellos le puede salir cualquiera de las dos opciones. El juego está en que cuando uno de ellos mide al otro le sale el color complementario.

Sin embargo, Einstein no estaba de acuerdo con esta visión, para Einstein cuando la partícula blanca se desintegra cada una de las partes tiene un color definido y evidentemente si a uno le sale naranja al otro le sale azul, no hay otra forma.

Esto es difícil de entender, por lo menos para mi lo fue, así que voy a intentar hacer una comparación para entender esto un poco mejor.

Situación clásica:

1.- Tomamos dos piedras, una blanca y otra negra y la metemos en una bolsa.

2.- Un notario saca una piedra sin mirar su color y la mete en una caja que envía a Las Vegas y la otra piedra la mete en una caja y la envía a Albacete.

A priori, ninguno de los dos observadores que reciben las cajas saben si la piedra será blanca o negra.  Pero una vez que abren sus cajas saben el color de su piedra y la de su compañero.

Esto parece que es exactamente igual que la situación anterior, la diferencia estriba en que en este ejemplo (no cuántico) tenemos dos piedras que siempre tienen el mismo color.  O blanco, o negro…  En cuántica la diferencia está en que las partículas no tienen color definido hasta que no se mide, y que cuando medimos y descubrimos el color de nuestra partícula sabemos que es lo que va a obtener el otro. Esa es la diferencia.

Pero Einstein pensó que eso de que no supiéramos el color de cada partícula desde su origen era debido a que la mecánica cuántica era incompleta, es decir, no habíamos encontrado todas las variables adecuadas del sistema.  Si conocieramos estas “variables ocultas” sabríamos que una de las partículas es naranja siempre y la otra azul siempre, justo como en el ejemplo de las piedras.

Y sonó la campana

John Bell estaba muy interesado en esta problemática.  En realidad lo que se está poniendo en tela de juicio es si hay efectos no locales en física.  La física cuántica dice que sí, que hay tales efectos.  Que yo midiendo aquí una partícula que es mezcla de azul/naranja, con la medida me responde azul o naranja, pero si esta partícula está entrelazada con la otra entonces la otra será naranja o azul.  Esto implica que el efecto de medir en Las Vegas afecta a algo que se medirá o se ha medido en Albacete (eso es lo que significa no localidad).  Para Einstein esto no tenía sentido, la física tenía que ser local y Bell estaba de acuerdo con esto.

Pero en principio parece que esto es una discusión filosófica sobre la estructura de la mecánica cuántica. Sin embargo, Bell lo tradujo a algo que podría ser medido en un futuro, y que de hecho ha sido medido ya en muchas ocasiones.

El tema puesto sobre la mesa

La cuestión es que Bell se creía la versión de Einstein, es decir, que todo estaba determinado y bien determinado en todas las situaciones.  Es decir, que la situación que hemos descrito era como el ejemplo de las piedras y que la apariencia de no saber en ningún momento el color de las partículas es porque no conocemos todas las variables del problema.  Es decir, que hay variables ocultas que si pudiéramos conocerlas no tendríamos esta discusión.

Pues con esta situación Bell se empeñó en diseñar un método para contrastar una situación clásica (la de las piedras blancas y negras siempre determinadas) con la situación cuántica (en la que el color de las partículas no está definido hasta que las miramos).  Y lo consiguió…

No voy a describir la parte matemática en esta entrada pero Bell dijo, en un experimento podemos calcular una cantidad que vamos a representar por S (da igual cómo se calcula en cada experimento) y resulta que si existen las variables ocultas y las cosas en la naturaleza son siempre como en el ejemplo de las piedras esta cantidad S no puede valer menos de -2 ni más de +2 en ningún caso:

-2\leq S \leq +2

Si la mecánica cuántica es correcta y tenemos efectos no locales y no hay variables ocultas entonces esta cantidad en ocasiones puede ser más pequeña que -2 y más grande que +2.

Y resulta que uno hace experimentos de este tipo lo que encuentra es:

Es decir que la desigualdad de Bell se viola… no se cumple y eso justamente es lo que nos dice que la mecánica cuántica está en lo correcto en esta situación.

Asombroso, un señor, con unas ideas preconcebidas que considera que la mecánica cuántica está incompleta diseña un método para comprobar que es así la cosa.  Lo mágico, lo espectacular, lo impresionante es que la naturaleza, ignorando nuestros prejuicios, nos dice que las cosas no son como pensamos y que las desigualdades que Bell diseñó para comprobar que la naturaleza era local en todas las ocasiones se violan implicando todo lo contrario.

Una magnífica lección…

Nos seguimos leyendo…

Esta es la contribución de Cuentos Cuánticos a la XXVI edición del Carnaval de la Física que organizamos en este blog.

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47 Respuestas a “No me creo la mecánica cuántica… así que demostraré que es cierta

  1. Cuantos cuentos más me cuentas

  2. El teorema de Bell dice que una teoría no puede ser local y de variables ocultas al mismo tiempo, o es local o tiene variables ocultas. Según entiendo.

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  4. La mecánica cúantica no es algo en lo que creer o no creer, si el experimento es correcto y demostrado deberás aceptarlo, aunque te resignes a que es un cuento y no creerte nada, sabes que te estás autoengañando, te pasa lo mismo que Fred Hoyle no aceptó nunca la teoría del Big-Bang aunque hubiera evidencias de ello, eres un un poco rebelde jeje.

    • No conozco la historia de Fred Hoyle, pero sea como fuere, el Big-Bang sigue siendo una teorîa, por lo cual cualquier persona tiene derecho a no aceptarla hasta que no sea demostrada. Hay evidencias ? Si, pero son solo evidencias que pueden explicar otra teorîa aun no descrita.

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  7. No estoy criticando la exposicion, muy buena y elegante en mi opinion del autor. Lo que estoy queriendo decir es que la cuantica no es una teoria “no local”. Voy a poner un ejemplo:

    “Se cogen dos objetos, cuanticos, en la luna y se meten en un sobre. Los objetos tienen un color que no esta determinado pero que mi teoria dice que son colores complementarios. Si uno es rojo el otro es verde. Si uno es verde el otro es rojo. Pero mientras no se abra el sobre el color no esta determinado, eso dice mi teoria.
    Llevo un sobre a la Tierra y otro sobre a Marte, se abren los sobres y si uno es rojo el otro es verde y biceversa”.

    ¿Es mi teoria “no local”? !!No!! Mi teoria es local porque los objetos estan dentro de un sobre.¿Que es lo que es no local?….. !!! lo que es no local es “abrir el sobre”!!! ¿Me dice mi teoria que es “abrir el sobre”? !!!No, la teoria solo dice que alguien “abre el sobre”!!!!

    ¿¿¿¿Lo entedeis ahora????

  8. El teorema de Bell lo que pretende demostrar es la no localidad de la partícula cuantica. Del entrazamiento no podemos deducir que la información viaja porque lo haría a mayor velocidad que la luz y de modo instantáneo. Esto último fue demostrado por dos investigadores. Pero hay que respetar la decisión y preparación de un tema tan dificil como apasionante que nos ha indicado tratar próximamente Cuentos Cuanticos.

  9. !!Insisto!!
    La teoria cuantica es local. Lo que no es local es el colapso de la funcion de onda. La teoria cuantica no dice nada sobre cuando o donde se produce el colapso, solo dice que ocurre. Asi, por ejemplo, la teoria cuantica en ningun sitio dice que el colapso sea instantaneo o puntual, simplemente … lo asume. Por contra, las ecuaciones o matematicas que indican como evoluciona la funcion de onda si que son locales.

    Deberias indicar esto cuando se “mal dice”:

    “la teoria cuantica es una teoria no local”

    es el colapso lo que no es local y en ningun sitio de la teoria se describe fisicamente que es el colapso … excepto decir que … ocurre.

  10. En el mundo de la física clásica podemos encontrar fenómenos parecidos. Si no disponemos de un calendario lunar no podemos saber a que hora saldrá la Luna, ni donde estará a una hora determinada, pero en seguida que la veamos sabremos que posición tiene respecto al Sol, o que posición tiene el Sol repecto a la Luna, esto nos permitirá orientarnos. Así una medición que desconocemos, y que, en principio, no podemos predecir, nos permite, una vez efectuada la medición, conocer otras mediciones relacionadas con la primera. No sabemos donde, ni cuando, va a aparecer la luna llena, pero sabemos que la luna llena está en dirección opuesta al sol.

  11. Que una propiedad de una partícula no esté definida, no quiere decir que no tenga que obedecer unas determinadas leyes. Para mí el entrelamiento es consecuencia de la aplicación de los principios de conservación de los números cuánticos. Si medimos, como ocurre con el entrelamiento, una propiedad de una partícula y esta guarda una determinada relación con otra partícula, tanto si estan dentro del mismo atómo, como si estan a un metro de distáncia, como si estan a muchos metros una de otra, esto se debe a una causa común, y este es un principio bien establecido en filosofía de la ciencia. La acción del entrelazamiento es local, en el sentido de que tenemos que trasladar dos partículas desde un origen común hasta el lugar de medición, y esto debe hacerse respetando las propiedades de las partículas, o sea, no se pueden hacelerar a velocidades infinitas, entre otras.

  12. Hay algo que siempre se dice o afirma cuando sale el tema de las desigualdades de Bell y que tambien se hace aqui:

    “….Es decir, no hay cosas que afecten a otras de forma instantánea. Sin embargo, en un mundo cuántico hay fenómenos que tienen influencia en distintos puntos del espacio, no importa lo separados que estén, de manera instantánea. Esto es debido a lo que se conoce como entrelazamiento cuántico….”

    Esto no es verdad:

    ” La cuantica es, ha sido y sera siempre … una teoria local.”

    !!!Y reto a cualquiera a que ponga un solo ejemplo donde esta afirmacion se falsa.!!!

  13. Hola! Lo de Bell siempre me ha intrigado y hasta que no he conseguido explicarlo desde cero y de forma exacta (sin casi matemáticas) no he parado.

    Aquí os dejo un vídeo de 2h en donde paso a paso llegamos a un final sorprendente, donde se ve de forma clara e indudable que la mecánica cuántica va en contra de nuestro sentido común.

    Enhorabuena por esta página! Sois muy buenos!

  14. Aquí podéis encontrar otra entrada de divulgación del Teorema de Bell.
    http://eltamiz.com/2010/10/27/cuantica-sin-formulas-el-teorema-de-bell/
    Saludos cordiales

  15. Para los neofítos en la tematica, la desigualdad de Bell, la no localidad de la materia, del universo, todo lo que ustedes exponen desde la ciencia no es suficiente para clarificar la cuestión que me preocupa y es que muchos no entendemos qué es el Tiempo.

    A cada instante le sigue otro instante irrepetible al anterior.

    Y a mi esto me recuerda a la naturaleza de los fotones como cuantos.

    Desde esta perspectiva el tiempo para mi residiría en la misma “pulsion” por cuantos del fotón.

    Si el macrocosmos esta hecho de un microcosmos regido por las leyes de la mecanica cuántica, y si es una propiedad de las partículas estás no se como llamar destellos o pulsiones “cuantos” tiene que comunicar esta versatilidad de cambio constante a la macromateria y que nosotros observamos como cambio y en definitiva Tiempo.

    Aunque lo redacte en forma de comentaria, es una pregunta que formulo.

  16. Un detallito he de exponer, porque este blog es maravilloso y me hace sorprenderme:
    ¿La inflación primigenia del espacio no contraviene la teoría de la relatividad de un espacio que a partir del big-bang salió literalmente volando y que lo provoco una energía negativa??
    Y si ese espacio se inflacionó y pudo escapar , no así la luz, porque en ese caldo primigenio tan caliente aún no estaban formados los átomos, quizá nada impide viajar a algú tipo de partícula cuando las condiciones son singulares como en el big-bang y los agujeros negros.

    (No se dónde poner estas preguntas, por un lado en cosmología y expansión del universo, por otro en neutrinos, en taquiones, en boson Higgs, y por otro límite de la luz en el espacio-tiempo, en relatividad)

  17. Bien, para el entrelazamiento no necesitamos dimensiones extra. Personalmente, me sugiere este interrogante: Todo lo que viaja o se mueve en el espacio-tiempo lo hace a velocidad constante de la luz pero podría haber partículas exóticas que fuesen propiedades del mismo espacio-tiempo por lo que no necesitarían estar sujetas a esa limitación y entonces estaríamos tratando de medir una entelequia, porque esas partículas no viajan, no se están moviendo por el espacio tiempo, son el espacio tiempo. Es como tratar de medir el tiempo en si y el tiempo no viaja, no fluye sino que es una cualidad de algo que llamamos espacio tiempo ¿???.

  18. Siento no haber leído antes el artículo. Me temo que sin las fórmulas, la desigualdad de Bell pierde su elegancia lógica y matemática.

    Saludos.

    • Como he dicho antes en esta entrada sólo se quería poner de manifiesto como los prejuicios personales son superados por la evidencia experimental. Haremos otras entradas explicando formalmente todo esto.

      Gracias

  19. Yo creo que las partículas son objetos de dimensionalidad mayor que 3, y que contienen todos los estados posibles. En nuestro mundo 3D sólo podemos medirlas cuando interaccionamos con ellas y paran de girar (de mostrar todos los estados). También estoy de acuerdo con Pablo en que las particulas entrelazadas en realidad son la misma partícula que no se ha separado en una dimensión más. Por eso cuando medimos una, la otra también “para de mostrar todos los estados”, porque estamos en realidad actuando sobre la misma partícula.

    • Para el entrelazamiento no necesitamos dimensiones extra, surge de manera natural en cualquier número de dimensiones aunque evidentemente no podamos entender porqué surge este fenómeno. Esta visión que propones no está respaldada por los experimentos hasta la fecha. Sin embargo habrá que esperar a ver si se encuentran dimensiones extra y que repercusiones tiene eso en el entrelazamiento.

      Un saludo.

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  21. Excelente articulo!. El entrelazamiento implica informacion moviendose aparentemente mas rapido que c ¿que explicaciones se han esbozado para esto?¿que medio utilizaria la informacion para viajar?¿realmente viaja la informacion o quizas las particulas entrelazadas nunca se han separado en una dimension mas o tal vez menos?

    Muchas gracias!!

  22. El tema parece interesante… pero sólo lo parece ya que la explicación no ha quedado nada clara. Ésa gráfica que significa ?
    Por cierto, felicidades por el blog.

    • En esta entrada no se ha explicado las desigualdades ni era su objetivo. Lo que quería en esta entrada es mostrar como alguien con unas ideas es capaz de demostrar justamente lo contrario. Es lo que me parecía interesante puntualizar.

      En próximas entradas tendremos la oportunidad de profundizar más en el tema y verlo todo con mayor detalle.

      Muchas gracias.

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  23. John Bell es el máximo exponente de la “física mística”, probablemente su mayor contribución a este concepto son las llamadas “variables ocultas”.

    Esta idea filosófica de la física, invadió las universidades en el final del siglo XX. Fundamentada en la lógica (el razonamiento como axioma) y con una interpretación segada de la idea de indeterminación de Heisenberg, añadiendo las “variables ocultas”, la física se lleno de “in-explicaciones” (nadie termina sabiendo nada, de porqué). Entonces el intento de Einstein de explicación de los fenómenos físicos, es sustituido por las inexplicables fuerzas fundamentales, o por energías incomprensibles, sin hablar de dimensiones filosóficas.

    Se hace funcionar una mecánica para el sistema sin conceptos, lo que conocemos como “mecánica cuántica”.
    Ej. “Fuerza centrífuga”: Cuando describo en forma lógica (matemática) el fenómeno, describo la relación entre la masa, la velocidad y la fuerza. Una descripción de relaciones, igualdades y proporciones (matemática), a esto llamamos mecánica (clásica, relativista, o cuántica). No es la explicación del fenómeno, ni se trata de un modelo propiamente, sino que es un modelo en el sentido de la relación, es una abstracción, que no es la realidad, sino una descripción lógica de relación, del asunto. No de la causa. No es el “porqué”, sino el “como” (funciona).
    El método lógico, no sólo no explica la razón del fenómeno, sino que perjudica su comprensión.

    Cuando tomo el problema desde la intuición, soy “el curio”, que no me interesa la proporción, ni la magnitud, ni fórmula alguna, sino la razón, “el porqué”. Entonces encuentro una masa (que no importa cuánto es), que tiene una inercia, un sentido (dirección, desconocida). Que para cambiar el sentido, es necesaria una fuerza (física clásica), caso contrario seguiría “derecho” (recto, inercia), no cambiaría su estado de movimiento (que no importa a donde). Por lo tanto la “fuerza centrífuga” es consecuencia del cambio de dirección de la masa (acción-reacción, aceleración). Que es la oposición a la fuerza centrífuga. La masa tiende a oponerse al cambio de dirección. Aunque esto parece sin importancia, el considerar si es de una forma o de otra, es la clave para entender la gravedad.

    • El nombre de variables ocultas no tiene nada que ver con la mística. Se llaman ocultas porque sus proponentes dicen que la mecánica cuántica no está completa porque hemos olvidado introducir en el formalismo las mismas.

      • Jesus Diaz (Encke)

        Segun he entendido las desigualdades de Bell, nos dicen que no existen variables ocultas locales, pero nos dice algo sobre variables ocultas no locales?

        • Una pregunta genial, efectivamente las variables ocultas no locales pueden funcionar, de hecho la mecánica de Bohm es de este tipo. El problema viene de que no se puede hacer la extensión relativista.

          • Jesus Diaz (Encke)

            Para cuando un articulo sobre la mecanica bohmiana y sobre otras interpretaciones no ortodoxas de la mecanica cuantica? Me fascina sobremanera el encontrar una posible causa subyacente a la paradoja EPR o al problema de la medida, asi como sus implicaciones filosoficas y metafisicas. La interpretacion de Copenhague funciona de maravilla, pero no me satisface aquella expresion, no se si de Bohr o Heisenberg, de “calla y calcula” 😉

  24. Este ejemplo para explicar el entrelazamiento cuàntico es uno de los mejores que he conocido, maravilloso.

  25. Lo leeré con interés, pero de momento veo un “porqué” que se ha escrito separado: el cómo y el por qué.
    Además es mejor prescindir de ese “y/o”, que se escribe con mejor estilo con una simple “o”, que no es excluyente.
    Saludos.

  26. Me gustaría que explicaras un poco más esta parte, si puedes ejemplificarlo mejor:
    <>

    • Perdón, esta parte:
      “las desigualdades que Bell diseñó para comprobar que la naturaleza era local en todas las ocasiones se violan implicando todo lo contrario.”

      • Bell dedujo sus desigualdades bajo suponiendo que la física era local.
        Las desigualdades se violan, lo que implica que la física no es local, y eso es justo lo que dice la cuántica.

        Espero haber aclarado esto.

  27. Magnífico. Bien me da pié a reformular mi inquietud. Bell ¿prueba el entrelazamiento de partículas cuánticas independiente del espacio tiempo o no localidad etc….. o bien, lo que verdaderamente prueba y nunca le ha sido reconocido, es que las propiedades, las leyes son universales, no están sujetas al especio tiempo, y si cambia una propiedad aquí puede cambiar en las antípodas del cosmos??,. Porque de ser así es consistente decir que la gravedad u otra ley física que pensemos, es una ley universal no sujeta a una localización determinada, pasaba antés, ahora y depués… O algo que a mi personalmente me parece precioso y que es un planteamiento de la astrobiología que algunos mantienen y es que la vida (no sabemos lo que es) pero si es algo -ellos mantienen- inherente al universo. En fin, mis felicitaciones por traer de nuevo esta interesantísima temática.

  28. Pingback: Participaciones en la XXVI edición del Carnaval de la Física | Cuentos Cuánticos

  29. Muy buena entrada, hasta me ha parecido simple el experimento xD

  30. Pingback: No me creo la mecánica cuántica… así que demostraré que es cierta

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