Después del descubrimiento de una escapatoria en el famoso experimento, que demostró la ausencia de propiedades internas de los objetos cuánticos, tres grupos de experimentadores la cerraron rápidamente. Este episodio cierra el tema de las teorías de variables ocultas.
El físico teórico
John Wheeler utilizó una vez la frase "gran dragón humeante" para describir una partícula de luz que volaba desde una fuente hasta un contador de fotones. "La boca del dragón está afilada donde muerde el mostrador. La cola del dragón está afilada de donde proviene el fotón ”, escribió Wheeler. En otras palabras, el fotón tiene una cierta realidad al principio y al final del camino. Pero su estado en el medio, el cuerpo del dragón, es borroso. "No tenemos derecho a hablar sobre lo que hace el dragón, o cómo se ve en el medio".
Wheeler apoyó el punto de vista de que los fenómenos cuánticos elementales no pueden llamarse reales hasta que hagamos una observación, una posición filosófica llamada
antirrealismo . Incluso se le ocurrió un experimento que demuestra que si insiste en el realismo, en el que los objetos cuánticos como los fotones siempre tienen ciertas propiedades internas, que es más como una visión clásica de la realidad, entonces tiene que aceptar que el futuro puede influir al pasado Debido a lo absurdo de viajar en el tiempo,
el experimento de Wheeler ha defendido el antirrealismo a nivel cuántico.
Pero en mayo de 2018, Rafael Chávez con colegas del Instituto Internacional de Física encontró una laguna. Mostraron que el experimento de Wheeler, bajo ciertas suposiciones, puede explicarse utilizando el modelo clásico, que atribuye las propiedades internas al fotón. Proporcionaron al dragón un cuerpo claramente definido, oculto del formalismo matemático de la mecánica cuántica estándar.
Rafael ChavezEl equipo de Chávez ha propuesto una modificación del experimento de Wheeler para probar las lagunas. Otros tres equipos con agilidad inusual se apresuraron a realizar un experimento modificado. Sus resultados, publicados en junio, mostraron que los modelos clásicos que promueven el realismo no proporcionan una interpretación significativa de los resultados. La mecánica cuántica puede ser extraña, pero sigue siendo la explicación más simple disponible.
Trampa de dragón
Wheeler ideó su experimento en 1983 para enfatizar uno de los principales misterios conceptuales de la mecánica cuántica:
la dualidad onda-partícula . Los objetos cuánticos se comportan como partículas u ondas, pero no simultáneamente y así sucesivamente. De esta propiedad de la mecánica cuántica, parece que se deduce que los objetos no tienen realidad interna hasta que se observan. "Los físicos tuvieron que soportar el dualismo como una característica inherente y extraña de la teoría cuántica durante casi cien años", dijo
David Kaiser , físico e historiador de la ciencia en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Esta idea surgió antes que otras características extrañas típicas de la teoría cuántica, como
el principio de incertidumbre de Heisenberg y el
gato Schrödinger ".
Este fenómeno es enfatizado por un caso especial del famoso experimento con dos rendijas llamado
interferómetro Mach - Zehnder .
En un experimento, se lanza un fotón hacia un espejo translúcido o un divisor de haz. Un fotón con igual probabilidad lo refleja o lo atraviesa, como resultado de lo cual finalmente sigue uno de dos caminos. En este caso, irá por la ruta 1 o por la ruta 2, y estará en el detector D1 o en D2, con la misma probabilidad. Un fotón se comporta como un todo invisible, lo que demuestra su naturaleza corpuscular.
Pero hay un matiz. En la intersección de las rutas 1 y 2, puede agregar otro divisor de haz que cambia todo. En este caso, la mecánica cuántica dice que un fotón, por así decirlo, atraviesa dos caminos simultáneamente como una onda. Estas dos ondas convergen juntas en un segundo divisor de haz. El experimento se puede configurar para que las ondas se combinen de manera constructiva (pico a pico, falla a falla) solo si van hacia el detector D1. Y el camino hacia el contador D2 indica interferencia destructiva. En esta situación, el fotón siempre se puede encontrar en D1, y nunca en D2. En este caso, el fotón demuestra su naturaleza ondulatoria.
Arriba: un fotón como partícula. Cada uno de los detectores registra un fotón en el 50% de los casos.
En el medio: un fotón como una onda. El fotón registra solo D1.
Abajo: pendiente de selección. Comenzamos sin un segundo divisor de haz y lo agregamos en el último momento. El fotón, que primero se comportó como una partícula, de repente comienza a comportarse como una onda.
Conclusión: la introducción de un segundo divisor de haz envía una señal al fotón en el pasado o el fotón no tiene propiedades internas.El genio de Wheeler se manifestó en la pregunta: ¿qué pasa si demoramos la elección de agregar un segundo divisor de haz? Supongamos que un fotón entra en un interferómetro cuando no hay un segundo divisor de haz allí. Debe comportarse como una partícula. Pero puede agregar un segundo divisor de haz en el último nanosegundo. La teoría y el experimento demuestran que un fotón, que previamente había tenido que comportarse como una partícula, y entrar en el detector D1 o en D2, comienza a comportarse como una onda, y solo llega a D1. Para hacer esto, parece necesitar seguir dos caminos simultáneamente, y no uno de ellos. En el sentido clásico, todo sucede como si un fotón regresara en el tiempo y cambiara su esencia de partícula a onda.
Una forma de evitar tal retrocausalidad [la influencia de los eventos del futuro en el pasado] es negar que el fotón tenga una realidad interna y afirmar que el fotón se vuelve real solo cuando se mide. Entonces no tenemos nada que relajar.
Tal antirrealismo, que a menudo se asocia con la
interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica , recibió un golpe teórico después de la publicación del trabajo de Chávez, al menos en el contexto de este experimento. Su equipo decidió explicar las propiedades contra-intuitivas de la mecánica cuántica con un nuevo conjunto de ideas, modelos causales [causales], cuya popularidad ha crecido en la última década con la ayuda del científico informático
Jude Perle y otros. El modelado causal determina una relación causal entre varios elementos de un experimento. A menudo, cuando estudiamos eventos interrelacionados, llamémoslos A y B, no podemos decir definitivamente que A es la causa de B, o que B es la causa de A, existe la posibilidad de que la causa de ambos sea el evento B imprevisto u "oculto". En tales casos, el modelado causal puede ayudar a revelar este B.
Chávez y sus colegas,
Gabriela Lemos y
Jacques Pienard , se concentraron en el experimento retrasado de Wheeler, esperando no encontrar un modelo con un proceso oculto que le diera al fotón una realidad interna y explicara su comportamiento sin ninguna retrocausalidad. Creían que probarían que el experimento con la elección diferida era "extremadamente contradictorio, en el sentido de que ningún modelo causal puede explicarlo", dijo Chávez.
Gabriela LemosPero una sorpresa los esperaba. La tarea fue bastante simple. Comenzaron sugiriendo que el fotón, inmediatamente después de pasar por el primer divisor de haz, tiene un estado interno definido por una "variable oculta". En este contexto, una variable oculta es algo que no está disponible en la mecánica cuántica estándar, pero que de alguna manera afecta el comportamiento de un fotón. El experimentador decidió entonces agregar o quitar un segundo divisor de haz. El modelado causal que prohíbe viajar al pasado asegura que la elección del experimentador no afecte el estado pasado del fotón.
Dada una variable oculta que admite el realismo, el equipo demostró que es posible escribir reglas que usen el valor de la variable y la presencia o ausencia de un segundo divisor de haz para conducir un fotón a D1 o D2 de una manera que repita las predicciones de la mecánica cuántica. Obtuvieron una explicación clásica, causal y realista. Encontraron una nueva escapatoria.
Esto sorprendió a varios físicos, dijo
Tim Burns , especialista en física teórica cuántica de la Universidad de Nueva York en Shanghai. "Lo que la gente no apreció fue que este tipo de experimento permite una explicación clásica que repite perfectamente los resultados del experimento", dijo Burns. "Se puede crear una teoría con una variable oculta, sin ninguna mecánica cuántica".
"Fue un paso cero", dijo Chávez. El siguiente paso es descubrir cómo modificar el experimento de Wheeler para poder hacer una distinción entre la teoría clásica de las variables ocultas y la mecánica cuántica.
En el experimento modificado, el interferómetro Mach - Zehnder se mantuvo sin cambios; Un segundo divisor de haz siempre está presente. En cambio, el papel de los ajustes experimentales, que el investigador puede cambiar a voluntad, se juega mediante dos cambios de fase: uno al comienzo del experimento y el otro al final.
El efecto combinado de los dos cambios de fase cambia la longitud relativa de la ruta. Esto cambia la imagen de interferencia, y con ella el supuesto comportamiento de onda o partícula del fotón. Por ejemplo, el valor del primer cambio de fase puede ser tal que el fotón se comporte como una partícula dentro del interferómetro, y el segundo desplazamiento puede hacer que se comporte como una onda. Los investigadores necesitaban el segundo turno para sintonizar después del primero.
Con una configuración tan experimental, el equipo de Chávez encontró una manera de distinguir entre el modelo causal clásico y la mecánica cuántica. Suponga que la transición de la primera fase puede tomar una de tres variables, y la segunda de dos. Resulta seis configuraciones posibles del experimento. Y aquí las predicciones del modelo clásico de variables ocultas y la mecánica cuántica estándar son diferentes. Entonces los científicos hicieron una fórmula. La fórmula recibe en su entrada las probabilidades calculadas sobre la base del número de veces que un fotón llega a un detector particular (basado en una formulación con transiciones de dos fases). Si la fórmula es cero, entonces el modelo causal clásico puede explicar estadísticas. Pero si la ecuación produce un número mayor que cero, entonces, debido a ciertas restricciones impuestas a las variables ocultas, no hay una explicación clásica de los resultados experimentales.
Chávez se asoció con Fabio Sciarino, especialista en física cuántica de la Universidad Sapienza de Roma, y sus colegas para probar la desigualdad. Al mismo tiempo, dos equipos chinos, uno dirigido por Jean-Wei Pan, un físico experimental de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hefei, y el segundo, dirigido por Guang-Kang Guo, de la misma universidad, realizaron sus experimentos.
Cada equipo implementó el esquema un poco diferente. El grupo de Guo se adhirió a una opción simple usando un interferómetro Mach-Zehnder real. "Este experimento, en mi opinión, es el más cercano a la propuesta original de Wheeler", dijo Howard Wiseman, físico teórico de la Universidad Griffith que no participó en los experimentos.
Los tres equipos mostraron que el resultado del cálculo de la fórmula excede cero con significancia estadística irrefutable. Excluyeron aquellos modelos causales clásicos que podrían explicar el experimento de Wheeler con una elección diferida. La escapatoria se ha cerrado. "Nuestro experimento salvó el famoso experimento mental de Wheeler", dijo Pan.
Esas variables ocultas que aún permanecen
Kaiser quedó impresionado por el trabajo teórico "elegante" de Chávez y los experimentos posteriores. "El hecho de que en cada experimento se encuentren signos claros de desigualdad es una evidencia convincente de que los modelos" clásicos "de tales sistemas en realidad no describen el esquema real del trabajo del mundo, mientras que las predicciones de mecánica cuántica coinciden perfectamente con los últimos resultados" Dijo.
La fórmula se usa con ciertos supuestos. Una de las más grandes: la variable oculta clásica utilizada en el modelo causal, puede tomar uno de dos valores, codificados en un bit de información. Chávez considera que esto es razonable, ya que un sistema cuántico, un fotón, también puede codificar solo un bit de información (va en un brazo del interferómetro o en el otro). "Será natural afirmar que el modelo de variables ocultas también debe ser bidimensional", dijo Chávez.
David kaiserPero una variable oculta con la capacidad adicional de transportar información puede restaurar la capacidad del modelo causal de explicar las estadísticas observadas en un experimento modificado con una elección retrasada.
Además, estos experimentos no refutan la teoría de la variable oculta más popular.
La teoría de Broglie-Bohm , una alternativa determinista y realista a la mecánica cuántica estándar, es capaz de explicar un experimento con una elección diferida. Según esta teoría, las partículas siempre tienen una ubicación (que son variables ocultas) y, por lo tanto, una realidad objetiva, pero al mismo tiempo son guiadas por una onda. Por lo tanto, la realidad es tanto ondulada como corpuscular. Una ola viaja a lo largo de ambos caminos, y una partícula viaja a lo largo de uno de los dos caminos. La presencia o ausencia de un segundo divisor de haz afecta la onda que conduce la partícula a los detectores, y este resultado coincide con la mecánica cuántica estándar.
Para Wiseman, el debate sobre el enfrentamiento entre la interpretación de Copenhague y la teoría de Broglie-Bohm está lejos de ser completo. "En la interpretación de Copenhague no hay una extraña circulación del tiempo precisamente porque no tenemos derecho a hablar sobre el pasado de un fotón", escribió en un correo electrónico. En la interpretación de De Broglie-Bohm, existe una realidad independiente de nuestro conocimiento, pero no hay ningún problema, ya que no hay inversión de tiempo, pero hay una descripción causal (prospectiva) única ”.
Kaiser, alabando los intentos realizados, quiere seguir adelante. En los experimentos actuales, la elección de si agregar o no un segundo desplazamiento de fase o un segundo divisor de haz fue hecha por un generador de números aleatorios cuánticos. Pero en este experimento, se prueba la mecánica cuántica en sí misma, por lo que tiene un regusto de dependencia circular. "Sería bueno verificar si los resultados experimentales permanecen consistentes incluso con diseños que se basan en fuentes de aleatoriedad completamente diferentes", dijo Kaiser.
Con este fin, Kaiser y sus colegas crearon dicha fuente de aleatoriedad utilizando fotones provenientes de quásares distantes, muchos de los cuales pasaron más de la mitad del Universo [observable]. Los fotones fueron recolectados por el telescopio de un metro de altura
en el Observatorio Table Mountain en California. Si la longitud de onda del fotón no excede un cierto umbral, el generador de números aleatorios da 0, de lo contrario 1. En principio, este bit puede usarse para seleccionar aleatoriamente condiciones experimentales. Si los resultados continúan apoyando la declaración inicial de Wheeler, "esto nos dará otra razón para decir que la dualidad onda-partícula no puede explicarse en la física clásica", dijo Kaiser. - El rango de alternativas conceptuales a la física cuántica ha disminuido nuevamente y ya ha sido arrinconado. Y esto es precisamente por lo que nos estamos esforzando ”.
Mientras tanto, el cuerpo del dragón, que apareció a la vista durante unas pocas semanas, volvió a humear y oscurecerse.
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