El experimento EPR. Einstein, Podolsky, Rosen

Es bien sabido que Einstein, a pesar de haber sido uno de los genios que contribuyeron a establecer la física cuántica mediante su artículo sobre el efecto fotoeléctrico, que le valió la obtención del Premio Nobel, fue durante toda su vida un firme detractor de las consecuencias filosóficas de la misma que se seguían de la interpretación de Copenhague.

Por el contrario, él era un fiel seguidor de la visión de Laplace del determinismo científico, que implica que, independientemente de que se puedan conocer o no, siempre están perfectamente determinadas las posiciones y velocidades de las partículas en el universo en un instante dado del tiempo. Por lo tanto, nunca pudo aceptar el indeterminismo cuántico, cuyo más firme partidario fue Niels Bohr, con quien mantuvo fuertes controversias.

Podemos datar en la Conferencia Solvay de 1927, celebrada en Bruselas, el origen de la misma, donde la anécdota cuenta que, a raíz de las discusiones sobre las implicaciones filosóficas de esta teoría, Einstein hizo su famosa objeción: “Dios no juega a los dados”, a lo que Bohr replicó, “Einstein, deja de decirle a Dios lo que debe hacer”.

Así pues, Einstein, descontento con esa aparente aleatoriedad en la naturaleza descrita por algunas interpretaciones de la física cuántica, apostó por la existencia de las variables ocultas como la forma más obvia de incorporar el Principio de Incertidumbre en la física, sin por ello renunciar al cómodo determinismo laplaciano, y fruto de ello fue una autentica batería de objeciones a las interpretaciones de Bohr y otros defensores de las tesis que se iban conformando como «oficialistas». En general, casi todas ellas contribuyeron, contra lo esperado por Einstein a asentar todavía más la que pasó a llamarse interpretación de Copenhague, mediante el esfuerzo intelectual logrado al refutar las objeciones einstinianas.

Entre ellas, podemos destacar por las repercusiones posteriores, y porque durante mucho tiempo estuvo a punto de lograr sus objetivos, el famosísimo argumento EPR, propuesto por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935, en un artículo publicado el 15 de Mayo de ese año en la revista Physical Review. Einstein figuraba como el primer autor del trabajo, acompañado por dos investigadores de postdoctorado del Instituto de Estudios Avanzados, Podolsky y Rosen. El título del mismo era “Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” (¿”Puede considerarse completa la descripción de la realidad física que da la Mecánica Cuántica”?).

Sobre los autores, además, hay muchas notas curiosas, comenzando por su condición de judíos de tendencias progresistas. Así, Podolsky, nacido en Rusia y emigrado a los EE.UU., fue acusado posteriormente de espionaje a favor de la URSS, mientras que Rosen, con posterioridad a este artículo, trabajó en la Universidad de Kiev, también en la URSS durante dos años, después volvió a los EE.UU., para emigrar finalmente a Israel donde contribuyó a fundar la Academia de Ciencias y Humanidades.

En cuanto al artículo en sí, la redacción es de Podolsky y fue enviado para su publicación a Physical Review, que lo aceptó para su publicación sin cambios, sin que Einstein viera la versión final, por lo que el mismo tuvo algunas quejas. Así, en una carta a Schrödinger dice:

Por razones de lenguaje, este artículo fue escrito por Podolsky tras varias discusiones. Con todo, no salió todo lo bien que yo quería originalmente; más bien, el tema esencial estaba, por decir algo, cubierto por el formalismo [Gelehrsamkeit]. (Carta de Einstein a Erwin Schrödinger, 19 de junio de 1935. In Fine 1996, p. 35.)

El argumento EPR no pretendía mostrar que la Teoría Cuántica fuese incorrecta, sino “incompleta”, en el sentido de que no era una descripción fiel de la realidad, y que, por lo tanto, debía completarse introduciendo una serie de elementos, que Einstein denominó “variables ocultas”, y que, debidamente acomodados dentro del formalismo de la teoría, permitiesen elaborar predicciones deterministas no probabilistas. Esta actitud provenía de la idea de Einstein de que las probabilidades cuánticas tenían un origen subjetivo, y que aparecían como consecuencia de carecer de una información completa relativa a las propiedades de los sistemas estudiados. Lo que le llevó a no aceptar nunca lo que denominó fantasmagóricas acciones a distancia (spooky actions at a distance).

La descripción del argumento EPR se basa en el análisis de un experimento mental, es decir, un experimento conceptualmente consistente, aunque imposible de llevar a la práctica, al menos en el momento histórico en que se plantea.

En esencia, el experimento planteado consiste en dos partículas que interactúan alcanzando un estado denominado «entrelazado» (entangled). Tras los cual, dos observadores reciben cada una de las mismas, llamadas A y B. Si uno de ellos mide, por ejemplo, el spin de la partícula A y es «arriba», entonces sabe cuál es el spin de la B, que será «abajo». Pero la cuestión es determinar si dichos valores existían con anterioridad a la observación, o no. Dicho de otra forma:

• Interpretación de Copenhague. El spin de las dos partículas A y B no estaba predeterminado, estando ambas en una superposición de «arriba» y «abajo». Al observar una de ellas, el sistema colapsa, y de manera aleatoria, alcanza cada una de ellas uno de los dos posibles valores.

• Interpretación de Einstein. El spin de cada partícula A y B estaba predeterminado, en forma de una variable oculta cuyo valor desconocemos. Así, una está en «arriba» y la otra en «abajo». Al observar una de ellas, simplemente revelamos su valor preexistente, y conocemos el valor de la otra.

Es evidente que la interpretación de Einstein coincide con nuestro sentido común. Pero aún hay más, pues a lo anterior, todavía se añade el que las partículas pueden separarse tanto como se desee, por ejemplo, cada una en un extremo de la galaxia, y de tal forma que al observar una de ellas, entonces, de manera instantánea, la otra alcanza también su valor. ¿Cómo logra hacerlo? ¿Viaja dicha información a mayor velocidad que la luz? Estas paradojas de esas “acciones a distancia” eran, para Einstein, “cosas de duendes” en un sentido nada amable, pues algo que no precisa el transcurso del tiempo es algo que no puede estar en la esfera de la física, y por tanto es pura metafísica, a la que combatió con todas sus fuerzas.

El experimento EPR, durante un tiempo, fue un argumento bastante convincente en contra de los postulados de Bohr, el cual sólo tenía el argumento de que las matemáticas funcionaban para oponerse al mismo. Como durante ese tiempo no hubo manera de llevar a la práctica el experimento para determinar quien llevaba razón, sólo cabía echar mano del sentido común, que parecía estar de parte de Einstein.

Sin embargo era Einstein el equivocado. Una nueva formulación matemática fue llevada a cabo por John S. Bell, un físico del CERN en Suiza, que ideó un experimento que podía ser llevado a cabo, y que permitiría poder comprobar con certeza quien tenía la razón en esta duradera controversia. Para entonces, el año 1964, la teoría cuántica ya era lo suficientemente madura como para haberse distinguido de todas las otras teorías físicas previas, al punto de que la física anterior a 1900 era denominada “física clásica” y la física descubierta después de 1900 (relatividad y teoría cuántica, fundamentalmente) fue llamada “física moderna”.  Así que, en cierto sentido, la historia de la ciencia está separada en dos partes; por un lado los primeros 46 siglos (si comenzamos, por decir algo, con Imhotep que construyó la primera pirámide, como el primer científico histórico conocido); y el último siglo, con la física cuántica por el otro.

La idea genial de Bell era no considerar un simple par de partículas, sino tratar de manera estadística un conjunto suficientemente grande, y establecer unas correlaciones que diferían en sus resultados, con diferentes predicciones para las hipótesis de Einstein y de Bohr. Con esta nueva formulación, el experimento fue llevado a cabo por Aspect, Dalibard y Roger en 1982, y supuso, después de cuarenta y siete años, la materialización práctica de aquel experimento mental expuesto en el artículo de 1935.

Para ello se partía de átomos de calcio en forma de gas, excitados por un rayo láser, como emisor de pares de fotones entrelazados. De entre ellos, algunos de los pares emitían sus dos componentes en direcciones opuestas, hacia donde estaban situados sendos filtros de polarización y detectores. Variando la inclinación de los filtros, las predicciones de los resultados eran distintas, lo que se denominó «desigualdades de Bell«, y así, ambas predicciones podían ser contrastadas con lo que tenía lugar en la realidad en experimentos controlados en el laboratorio.

Simplificando, quizá en exceso, podríamos decir que el hecho de realizar medidas en uno de los lados debía producir unas determinadas influencias medibles en el otro, si la interpretación de Copenhague era cierta, mientras que ambas medidas deberían ser independientes si lo era la hipótesis de Einstein. Simplificando aún más, y extrapolando al mundo macroscópico para visualizarlo mejor, eso sería similar, y tan asombroso, como el hecho de que yo bebiera de un vaso de cerveza, y con ello bajara el nivel en el del vecino. No obstante, y debido a la reversibilidad de las propiedades cuánticas, eso no altera las leyes de conservación puesto que, al beber de su cerveza el vecino, bajaría mi nivel en la misma medida, si ambos vasos estuvieran entrelazados.

Finalmente, la mecánica cuántica ha cambiado radicalmente la noción que tenemos de la realidad, lo cual, también, implica una nueva noción del concepto de causalidad que es posible que tenga profundas implicaciones, incluso de naturaleza filosófica. La ciencia clásica se construyó con el método cartesiano de analizar el mundo descomponiéndolo en partes, y uniendo después esas partes de acuerdo a leyes causales: el reduccionismo. La figura determinista del universo que así resulta estaba íntimamente relacionada con la imagen de la naturaleza funcionando como un reloj preciso, idea muy querida por Einstein. Sin embargo, en física cuántica esa figura mecánica y determinista ya no es posible. En palabras de Hawking: “Dios juega a los dados con el universo. Toda la evidencia lo señala como un jugador empedernido, que tira los dados siempre que tiene ocasión”. Podríamos añadir que, además, y como jugador honrado, no juega con ventaja y hasta él mismo desconoce el resultado que se obtendrá.

Como dijo el propio Bohr, quien no esté impactado con la teoría cuántica es que no la ha entendido. No obstante estas maravillas desconcertantes parece que, últimamente, también dan lugar para justificar la charlatanería en la última moda new age, donde los curanderos tradicionales se agarran a este nuevo y sugerente concepto, y ya tenemos hasta explicaciones cuánticas para pseudomedicinas como la homeopatía. Hoy, como siempre, aquello que no se entiende se confunde con la magia, pero también, como siempre, la ciencia es aún más maravillosa que la más fecunda imaginación, y nuevos retos como la computación cuántica, que surge de este extraordinario experimento, nos proporcionarán nuevos avances tecnológicos que mejoraran nuestra comprensión del universo, a la vez que nos producirán nuevos servicios para hacer más agradables y llevaderas nuestras vidas.

Fernando Cuartero

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