Física quàntica: aquest experiment qüestiona la nostra realitat?

Clic per engrandir. Fotografia de família dels assistents a la Conferència de Solvay el 1927,
a on hi ha -entre d'altres- els pares de física quàntica. 17 dels personatges retratats eren o
van a arribar ser Premis Nobel. Crèdit: Domini public.

Un nou experiment de física quàntica estableix un nou pas de la realitat objectiva. Per no deixar de banda els nostres lectors que no estan familiaritzats amb la física quàntica, estem començant de zero, en termes senzills.

Al seu llibre "The Character of Physical Law", el físic Richard Feynman escriu: “Crec que és segur dir que ningú no entén la mecànica quàntica". Si les fonts d’aquesta disciplina encara jove (amb prou feines un segle) posen en dificultats a les poques ments que es dediquen al seu estudi, sabem tanmateix que la física quàntica descriu amb una sorprenent precisió els comportaments més contraintuïtius d'àtoms i partícules, sovint fent més preguntes de les que es responen. Tot i que ja no hi ha cap dubte que per al físic clàssic, la mecànica quàntica de vegades avança contra el sentit comú el que la fa encara més incerta.

No obstant això, ara un recent estudi ha aconseguit proporcionar noves respostes que intentarem explicar aquí en els termes més senzills i clars possibles.

"Ser i no ser", va dir el gat de Schrödinger

Per als investigadors que treballen fora del camp de la física quàntica, el món té dues qualitats importants:

- Realista,  és a dir, que la realitat és objectiva i no depèn d'una mesura ni d'un observador.

- Determinista, és a dir, que la realitat no és aleatòria sinó el resultat d’un conjunt de variables que produeixen resultats sistemàtics  i previsibles (sempre que tinguem tota la informació necessària per a la seva comprensió).

Tot i això, la física quàntica ens ensenya que tot és molt diferent per sota d’una certa escala, en el món exòtic dels àtoms i les partícules, fins i tot de les molècules. Imagineu que una partícula, una mica com un interruptor, admet dos possibles estats, que anomenarem 1 i 0 per simplificar. Si es vol creure la interpretació de Copenhaguen, mentre que un interruptor només pot estar en un estat alhora (activat o desactivat), la partícula es troba en el que s’anomena superposició d'estats, és a dir tant 1 com 0. Aquesta superposició només desapareix quan un observador decideix mesurar el seu estat, provocant així un col·lapse de la funció d’ona. Aquesta primera idea contradiu la possibilitat d'una realitat única i objectiva per a la nostra partícula, però les coses no acaben aquí.

De fet, encara segons la teoria quàntica, la partícula no segueix una lògica determinista sinó probabilística. Per tant, no podem predir l’estat en què es trobarà, sinó només calcular la probabilitat d’obtenir un estat o un altre. En el nostre cas, i encara per al bé de la simplicitat, direm que la nostra partícula té una possibilitat entre dues de estar en l'estat 1 o 0.

Una il·lustració d’un interruptor clàssic versus un interruptor quàntic imaginari. © Fermilab

El col·lapse és als ulls de l’espectador

Els científics encara no saben com passa la partícula d’una superposició d’estats a un estat fix. Alguns han suggerit que la funció d'ona s'enfonsa a mesura que es fa la mesura, i d'altres, que la intervenció d'un observador conscient és necessària; aquesta última noció ha portat alguns a retorçar la física quàntica dient que podríem canviar el teixit de la realitat per la pura força de la nostra ment, que pel que sabem és completament equivocada.

Avui en dia, els investigadors que treballen amb sistemes quàntics complexos saben que una sola ratxa de vent pot provocar el col·lapse de la fràgil casa de cartes de superposició quàntica, susceptible a la interacció amb les partícules de l’ aire. Per  tant, queda oberta la qüestió de què constitueix el valor d’una mesura o d’un observador.

Partícules entrellaçades i missatgeria instantània

Introduïm ara una nova dosi d’exotisme abordant la noció d’entrellaçament quàntic. Ja sabem que quan mesurem l’estat d’una partícula quàntica, tenim un 50% de probabilitats de trobar 1 o 0. En calcular les probabilitats per a la mesura de dues partícules, obtenim la taula següent:

Però les partícules entrellaçades comparteixen una relació especial. Vinculades entre elles (després d’una manipulació voluntària o, més rarament, accidentalment), formen un tot inseparable on l’estat d’una depèn de l’altra. Més senzillament, les dues partícules es troben cadascuna en una superposició d'estats (1 i 0) fins que es mesura una d'elles. Aquesta mesura provoca un col·lapse simultani de la funció d'ona per al parell, i cada una es fixa en un estat oposat, independentment de la distància. Així obtenim aquesta taula:

Això significa que, en teoria, si col·loqueu una partícula a la Lluna i el seu bessó a la Terra, la mesura de la partícula de la Terra (dona per exemple l’estat 1) provocaria que la funció d’ona del bessó lunar s’ensorrés. (que llavors adquiriria l’estat 0) al mateix temps. Aquells que encara recorden les seves lliçons de física protestaran dient que això és impossible perquè res, ni tan sols informació, viatja més ràpid que la llum (que triga 1,3 segons a arribar-nos des de la Lluna). I a això respondrem ... que teniu tota la raó. Einstein no va ser, a més, el màxim seguidor d'aquesta noció, que va anomenar l'acció inquietant (o esgarrifosa) a distància.

Quan (Bell) toca a mort 

Als anys seixanta, el físic John Bell va decidir aprendre més sobre aquesta comunicació evidentment instantània entre partícules entrellaçades. Per tant, parteix de dos principis inicials, extrets d’una visió clàssica del món:

- Principi de localitat: Les partícules no es poden influir mútuament més ràpidament que la llum.

- Realisme: Les partícules segueixen una operació determinista (i no probabilística) i que simplement ens esforcem per predir a causa de variables ocultes.

Basant-se en aquests dos postulats, Bell calcula el conjunt d’estats possibles per a la mesura d’un parell de partícules entrellaçades (en un context una mica més complex que el que hem presentat fins ara) i obté així un llindar de correlació teòrica. Des de llavors, s'han dut a terme nombroses "proves de Bell", a on els resultats han infringit infal·liblement el llindar teòric calculat per Bell. Segons ell, només es podia extreure una conclusió d’aquesta observació: un dels seus supòsits inicials era fals. Però quin?

La paradoxa de Wigner

Ara fem una pausa per abordar un nou experiment mental, proposat pel físic Eugene Wigner,  en el moment en què Bell treballava en el seu teorema. Una mica molest per les preguntes sense resposta de la física quàntica, Wigner decideix llançar una pedra addicional a la qüestió exposant la següent paradoxa.

Imagineu-vos que un amic de Wigner està assegut en un laboratori a on està a punt de mesurar l’estat d’una partícula. El físic, en canvi, es troba fora del laboratori i no té manera de saber què hi passa. En aplicar les equacions proporcionades per la mecànica quàntica, sabem que la partícula es troba en una superposició dels dos estats (1 i 0) fins que l’amic de Wigner la mesura, provocant en aquell moment el famós col·lapse de la funció d'ona. Però això no és tot.

En el nostre experiment mental, l’amic de Wigner no és l’únic que pren una mesura. Wigner pot, al seu torn, obrir la porta i preguntar al seu amic quin resultat va obtenir. Per tant, el laboratori (i el seu amic a dins) està una mica contaminat per la partícula i també es troba en una superposició d’estats fins que Wigner ha tingut la seva resposta.

Clic per engrandir. El físic Eugène Wigner, l’origen de la paradoxa de l’amic
de Wigner. © ORNL History

Wigner (el real, no el de la paradoxa) fa la següent pregunta: quan es produeix el col·lapse de la funció d'ona de la partícula? quan el seu amic es va assabentar del resultat o quan li va enviar? Per a Wigner,  la consciència del seu amic era suficient per provocar el col·lapse definitiu i categòric de la funció d'ona, però fins i tot tenia raó? I si el seu amic hagués estat un ordinador?.

Simfonia per a quatre observadors i dues partícules

Passem ara a l’experiència que ens interessa. "Per a la nostra investigació, hem construït una versió ampliada de la paradoxa de l'amic de Wigner, proposada per primera vegada per Časlav Brukner de la Universitat de Viena", escriu Eric Cavalcanti, coautor de l'estudi publicat a Nature Physics. En aquest nou escenari, coneixem a l'Alice i en Bob (en el paper de Wigner), Charlie i Debbie (en el paper del seu amic) i un parell de partícules entrellaçades (en el paper de... la partícula).

Charlie i Debbie es troben cadascun al seu propi laboratori: mentre que la feina de Charlie és mesurar la partícula a del parell entrellaçat, Debbie s’encarrega de la partícula b. (Recordem que, d’acord amb el principi d’intricació quàntica, si Charlie mesura un estat de 1, Debbie necessàriament trobarà el 0 al seu costat i viceversa.) A l'exterior, Alice i Bob (a qui anomenarem superobservadors) llencen cadascun un dau de tres cares (I, II, III):

- Si el resultat és igual a I: el superobservador obre la porta del laboratori i pregunta al seu acòlit quin resultat ha obtingut.

- Si el resultat és igual a II o III: el superobservador deixa la porta tancada i tria mesurar ell mateix la partícula, ignorant el resultat obtingut pel seu acòlit.

Les parelles segueixen aquest procediment sense preocupar-se l'una de l'altra, al final de l’experiment, Alice i Bob comparen els seus resultats per calcular la taxa de correlació de tots els parells de partícules. Tot està clar? Ara, anem breument i de la manera més senzilla possible, com els investigadors van comprovar experimentalment aquesta paradoxa.

El parèntesi pràctic

En aquest context més concret, es genera un parell de fotons polaritzats i entrenllaçats que travessa un complex sistema de filtres, prismes, miralls i sensors. El més important a entendre és que el fotó passa primer per un filtre que determina la seva trajectòria (per exemple, esquerra o dreta) segons la seva polarització (1 o 0). Després té dues opcions: 

- Continua el seu camí directament cap a un interferòmetre que mesurarà el seu estat. o bé

- passa per un segon filtre que anul·la l’efecte de l’anterior abans que el fotó arribi a l’interferòmetre.

Aquí, el primer filtre designa l’acòlit, mentre que l’interferòmetre pren el lloc del superobservador. En el primer cas, descrivint la situació en què el llançament de daus és igual a I, el resultat obtingut pel filtre/acòlit es transmet directament a l’interferòmetre/superobservador (la porta està oberta). A la segona, on el llançament de daus és igual a II o III, l’observació de l'acólit s’esborra d’alguna manera i el fotó es mesura directament pel superobservador (la porta roman tancada). A l'experiment, el llançament de daus es genera aleatòriament per a cada interferòmetre, per a cada parell de fotons nou.

A continuació es mostra una versió molt esquemàtica de la meitat del dispositiu, juntament amb la seva versió original i completa (ja ens direu uina preferiu).

Clic per engrandir. Una versió simplificada de l’experiment: a la part superior,
el fotó passa a través d’un primer filtre (l’acòlit), i després s’uneix directament a
l’interferòmetre (superobservador); a la part inferior, el fotó passa a través d'un
primer filtre (el company), i després continua el seu viatge a través d'un segon
filtre cancel·lant l'efecte del primer, per finalment unir-se a l'interferòmetre
(superobservador). © Emma Hollen. 

Clic per engrandir. La versió original de l’experiment mostra la configuració experimental
en conjunt: a la dreta, veiem els camins seguits pels fotons de Bob i Alice. El fotó passa
a través d’un primer conjunt de filtres a la part inferior (acòlit), i després, en funció del
resultat del "llançament dels daus", és desviat selectivament per un mirall en
moviment cap a l’interferòmetre (superobservador) o continua el seu recorregut per un
nou conjunt de filtres que cancel·len l’efecte dels anteriors, per unir-se finalment a
l’interferòmetre (superobservador). © Bong et al., Spie 

Tres postulats, amb un gir

Per tal de comparar els seus resultats experimentals amb les prediccions de la física clàssica, els investigadors estableixen els seus càlculs teòrics sobre tres postulats bàsics, formant junts un principi anomenat "amabilitat local" per Cavalcanti:

- Caràcter absolut dels esdeveniments observats  (AOE): un cop feta la primera observació, el col·lapse de la funció d'ona és absolut i definitiu, no hi ha versions alternatives ni possibles modificacions;

- Principi de localitat: (recordatori) les partícules no es poden influir mútuament més ràpid que la llum;

- Absència de superdeterminisme (NSD): es conserva el lliure albir i l’atzar; el resultat de les tirades de daus, per exemple, no pot ser influït per cap altre esdeveniment dins o fora de l'experiment: és completament aleatori.

Un cop calculat el llindar de correlació teòrica, l’equip va realitzar ni més ni menys que 90.000 proves. Com s'esperava, les correlacions obtingudes experimentalment violen sistemàticament els postulats de Bell. Però, encara més interessant, els resultats no violen el principi d’amabilitat local (qüestionant almenys un dels tres postulats inicials anteriors) només quan l’intricació és prou forta: pertorbant parcialment l’harmonia de parells de fotons, els investigadors van trobar que més enllà d’un llindar determinat, els resultats empírics coincideixen amb les prediccions.

Aquesta distinció permet demostrar que els postulats de Bell i els d'amabilitat no són equivalents. Per obtenir resultats teòrics d'acord amb les mesures realitzades a la realitat, haurem d'abandonar almenys un dels tres postulats que planteja el principi de simpatia local. I les implicacions d’aquest descobriment són profundes.

Haurem d’actualitzar la nostra realitat?

Com dèiem al principi del nostre article, la mecànica quàntica de vegades avança contra els postulats decretats pel sentit comú; "L'avenç en aquest cas és que discernim una mica millor quines suposicions hem d'abandonar" , comenta Ken Wharton, físic de la Universitat de San José, que no va participar en l'estudi. Fins que els nous resultats experimentals no ens proporcionin més amplis elements de resposta, les teories continuaran florint, i alguns científics afirmen que els esdeveniments futurs poden afectar les observacions passades (retrocausalitat), que cada observació provoca el naixement d’ universos.paral·lel (hipòtesi multivers), o que no hi hagi realitat objectiva. El següent pas per als investigadors és replicar l’experiment a escales més grans per veure fins a quin punt es manté la teoria quàntica i si les seves troballes s’apliquen al nostre nivell de percepció.

Ho he vist aquí.