desigualdad de Bell

Dos bailarines en un mismo escenario repiten los movimientos del otro incluso cuando un telón los separa. En el mundo cuántico, a esas parejas se les llama entrelazadas, y los físicos llevan medio siglo comprobando hasta dónde llega esa conexión. Hasta ahora, todas las pruebas con partículas masivas se referían a sus propiedades internas, como el espín, pero no al movimiento en sí.

Dos diminutos diamantes flotan en el vacío, separados por una distancia que la luz no puede recorrer durante el experimento. Dentro de cada uno, como una chispa congelada, reside un espín entrelazado: un estado cuántico que los une en un todo único.

Dos observadores, Alicia y Bob, están sentados en extremos opuestos de un mismo laboratorio. Entre ellos hay una fuente que dispara dos pulsos uno tras otro. Cada pulso genera un paquete de ondas que viaja hacia su detector. Hasta aquí, todo parece un experimento ordinario con partículas cuánticas.

La gravedad en nuestro mundo es el espacio-tiempo curvado. Así la describe la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero, ¿qué ocurre con la gravedad a nivel de átomos y partículas, donde reina la mecánica cuántica? Esta pregunta lleva casi un siglo sin respuesta.

Una computadora cuántica se apoya en dos fuerzas: el entrelazamiento (las partículas se comportan como un todo único) y la «magia», una medida de cuán lejos está el estado de la física clásica habitual. Pero cómo se relacionan estos dos recursos cuando un sistema de muchas partículas evoluciona en el tiempo seguía siendo un misterio.

El efecto Mpemba es un enigma: el agua caliente a veces se congela más rápido que la tibia. Normalmente se relaciona con cómo el agua pierde calor y entropía (medida del desorden). Pero en un vaso de agua, el caos impide un modelo preciso. Los físicos construyeron un modelo cuántico: una partícula en un pozo con dos huecos separados por una barrera.

El clásico paradoja de Mpemba — el agua caliente se congela más rápido que la fría — ha intrigado a los científicos durante siglos. Recientemente, la mecánica estadística de no equilibrio explicó que todo depende de las condiciones de frontera; el sistema parece buscar una excusa para «chocar contra la pared» y acelerar el enfriamiento.

En el centro de casi todas las grandes galaxias se esconde un agujero negro supermasivo, cuyo abismo gravitacional fue descrito matemáticamente por primera vez por Karl Schwarzschild. Cuando engulle gas, nace un núcleo activo deslumbrante: un cuásar.

En mecánica cuántica todo es difuso: la partícula no está en un punto único, sino extendida en el espacio, y el evento no ocurre en un instante único. Pero nuestro mundo cotidiano está lleno de determinación: la moneda cayó en cara, la bombilla se encendió, en el cuaderno apareció una anotación.

Dos gemelos entran en una habitación por puertas distintas. Cada uno recibe una caja con un botón, y cada vez que pulsan el botón, se enciende una luz roja o verde. Si los gemelos son absolutamente idénticos, cabría esperar que sus luces se enciendan según las mismas reglas internas.

En un lado de la balanza está toda la materia del universo; en el otro, toda la antimateria. Según las leyes de la física, en el momento del nacimiento del mundo los platillos deberían haberse equilibrado. Pero vemos que un lado pesa más: a nuestro alrededor hay estrellas, planetas, personas, y casi nada de antimateria. Este desequilibrio es uno de los grandes misterios.

Un remolino de café puede abarcar dos puntos en una taza: una mancha borrosa de líquido arremolinado. Las partículas cuánticas se comportan de manera similar: un remolino espaciotemporal donde existen en dos lugares a la vez. Pero la gravedad actúa como la cuchara que remueve el tejido del espacio y el tiempo.

Dos partículas se comportan como un par de dados inusuales: lanzados en diferentes extremos del Universo, siempre caen igual. El físico John Bell calculó: si los dados tuvieran reglas ocultas, la frecuencia de coincidencias tendría un límite estricto.

La luz solar incide sobre una oblea de silicio y en el circuito aparece una corriente. Es el funcionamiento habitual de una célula fotoeléctrica: la luz expulsa electrones y la unión p-n (la frontera entre dos capas con distinta conductividad) los obliga a moverse en una dirección.

Un fotógrafo intenta capturar la interferencia de la luz, pero solo dispone de una lente y de la posibilidad de cambiar el tiempo de exposición. Una tarea similar se les plantea a los cosmólogos que estudian las huellas cuánticas en la radiación de fondo de microondas, el resplandor del Big Bang.

Tres personas están sentadas en tres esquinas de una habitación. Cada una recibe un sobre sellado de un mensajero invisible, pero los mensajeros no se coordinan y nunca se han conocido. Las personas abren los sobres y ven una nota con una sola palabra: «sí» o «no». Ellos no eligen nada, solo leen.

Se lanzan dos monedas en ciudades distintas, pero siempre caen del mismo lado. Los físicos llaman a esto entrelazamiento: las partículas se comportan como si hubiera un hilo invisible entre ellas. Pero ¿y si el hilo no fuera instantáneo, sino simplemente muy rápido, aunque sin superar la velocidad de la luz?

Lanza una piedra a un estanque: las ondas se expanden uniformemente y se desvanecen. Las ondas gravitacionales nacidas de la fusión de agujeros negros se comportan de otra manera: incluso después del paso de la onda principal, queda una 'cola' débil.

Galileo, según la leyenda, arrojaba esferas desde la torre inclinada de Pisa para demostrar que los objetos pesados y ligeros caen a la misma velocidad. Esta ley sentó las bases de la teoría de la gravedad de Einstein. Hoy, los científicos han convertido en esa torre toda una estación espacial.

Dos cómplices en un interrogatorio: ¿traicionar o callar? Si cada uno no sabe qué hará el otro, su elección rompe la regla clásica de la probabilidad. Es como andar en una vieja bicicleta por baches: un asiento duro te saca del sillín. La regla del libro de texto, классическая модель, falla.

Imagina la realidad como una fotografía sin revelar: antes de la medición, existe solo como una nube de probabilidades, una superposición de todos los estados posibles. Solo el acto de observar, como el revelado de una película, hace que la partícula adquiera propiedades concretas.

Comparar dos aromas es fácil sin conocer su composición: basta con saber si son similares. Este principio cotidiano se convirtió en la base de una nueva clase de desigualdades de John Stewart Bell, replanteando las pruebas de la conexión sobrenatural de las partículas.

Imagina dos partículas que se comportan como si existiera un vínculo telepático entre ellas: medir el estado de una determina al instante el estado de la otra, a cualquier distancia. Albert Einstein llamó a esto "acción fantasmagórica a distancia".

En el Gran Colisionador de Hadrones, acelerando partículas a velocidades cercanas a la luz, se producen quarks top, los ladrillos más pesados del modelo estándar. Viven fracciones insignificantes de segundo, pero alcanzan a manifestar complejos vínculos cuánticos.

Sobre la mesa del laboratorio hay un aparato parecido a una balanza, pero en lugar de platillos tiene dos pesas de metales distintos: berilio y aluminio. La balanza cuelga de un hilo fino que se retuerce si las pesas son atraídas de manera diferente. Todo el aparato gira siguiendo al Sol, como un girasol que sigue al astro, pero en lugar de luz capta su atracción.

Un sensor cuántico es como una línea telegráfica que transmite un mensaje hipersensible. La más mínima interferencia distorsiona la señal. Antes se creía que para una medición precisa se necesitaba un «telegrafista» sin errores: un sistema ideal de corrección de errores. Pero en la práctica, todos los elementos hacen ruido.

Dos gigantes negros giran y chocan: un temblor del espacio se propaga por el universo. Ese temblor lo captan los detectores de ondas gravitacionales. Pero en la señal puede esconderse algo más que la masa y la distancia: si las leyes de la física son ligeramente distintas en diferentes direcciones, la onda se distorsionará.

Una partícula cuántica puede estar en dos lugares a la vez, pero los objetos grandes nunca. ¿Serán las interferencias las culpables, que convierten el orden en caos y aumentan la entropía?

Estamos acostumbrados a pensar que los eventos tienen causas, que los objetos existen por sí mismos y que las señales no pueden superar la velocidad de la luz.

En el mundo que conocemos hay tres dimensiones espaciales. Sin embargo, la física teórica admite la existencia de direcciones adicionales, ocultas a la observación directa, compactificadas, es decir, enrolladas hasta tamaños microscópicos.

Dos esferas masivas en el vacío cósmico. Empuje una y la otra sentirá el empujón solo un instante después: la influencia gravitatoria viaja, como el eco de un grito en las montañas, con un inevitable retraso. Así es como el espacio curvado transmite la señal localmente, paso a paso; esto fue predicho por Einstein.

En una sala de conciertos vacía, dos músicos tocan una misma partitura. Primero el violín, luego el violonchelo, o al revés. Siempre ha sido así: cada nota tiene su lugar en el tiempo, su 'antes' y su 'después'. Pero, ¿y si la orquesta pudiera tocar ambas versiones a la vez, en una superposición cuántica de dos órdenes?

En el mundo cuántico, las partículas no tienen propiedades definidas hasta que se miden. El modelo oficial se niega a explicar qué se esconde detrás de esta incertidumbre. Pero la idea de que 'pilotos' invisibles gobiernan las partículas existe desde la década de 1920.

En la cima de la colina de la física clásica, una partícula se congela en equilibrio inestable. El más mínimo empujón la hace rodar con velocidad creciente. En el universo cuántico no hace falta empujón: el principio de incertidumbre actúa como un viento omnipresente que la derriba del pico.