sábado, 23 de octubre de 2010

El experimento EPR

Para empezar a hablar del experimento EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) primero debemos de conocer una serie de cosas. Lo primero es que Einstein era un determinista, es decir, creía que todo estaba predeterminado por “alguien” y por esta razón concebía que todo el universo tenía que estar hecho de una manera ordenada y bella. A menudo lo comparaba con el mármol, que es bello, suave, sin rugosidades.

Lo segundo es que sus investigaciones en el campo de la física provocaron el desarrollo de la mecánica cuántica. Si bien los primeros pasos de esta nueva rama de la física fueron dados por Max Planck en el año 1900, fue la teoría de la relatividad especial de Einstein la que dió pié al desarrollo de la también denominada “física de partículas” ya que estudia todo lo relacionado con lo pequeño (partículas subatómicas, cuantos,…).

El caso es que Einstein no tenía ninguna fe en esa nueva teoría emergente ya que los resultados que se obtenían en la misma eran (y son) muy extraños y daban una concepción del universo demasiado enrevesado y caótico. A menudo Einstein también comparaba esta teoría con la madera, que es rugosa y llena de imperfecciones.

Uno de los puntos que mas quebraderos de cabeza les dió, tanto a Einstein como a los físicos de la escuela de Copenhague (los que defendían la mecánica cuántica), fue el principio de incertidumbre de Heisenberg que postúla que no es posible conocer de manera simultánea y con precisión absoluta la posición y la velocidad de un objeto cualquiera. Esto significa que tenemos que recurrir a las probabilidades. Para que os hagáis una idea de lo que esto conlleva, por ejemplo, hay una probabilidad, por muy pequeña que sea, que vosotros os desintegreis repentinamente y aparezcais al otro lado del planeta (os recomiendo que veáis “La guía del autoestopista galáctico” ya que en una escena representa muy bien lo que os acabo de explicar).

Einstein en su empeño por intentar echar abajo este principio le propuso un primer experimento mental a Niels Bohr (el mayor defensor de la mecánica cuántica y gran “enemigo” de Einstein) que pensó que echaría por tierra este principio y por consiguiente toda la teoría. En un congreso le planteó lo siguiente:

“…Imaginemos una caja totalmente hermética que contiene radiación. La caja también tiene un agujero tapado con un obturador. Cuando abrimos el obturador brevemente, puede escapar un solo fotón de la caja, por tanto podemos medir con gran precisión el momento exacto en que se emite el fotón y también podemos pesar la caja. Como ha escapado un fotón, la caja será más ligera. Gracias a la equivalencia entre masa y energía (e=mc2) podemos calcular cuál es la energía contenida en la caja con total precisión. Por lo tanto con absoluta precisión y sin ninguna incertidumbre podemos saber tanto la energía total de la caja como el momento en el que el fotón fue liberado y así el principio de Heisenberg queda invalidado…”

Esto supuso un duro golpe para Bohr que pasó noches en vela para intentar hallar una explicación al problema propuesto por Einstein.

Al final, después de horas y horas pensando encontró un defecto en razonamiento de Einstein y uso su propia teoría (relatividad) para ganarle.

Bohr propuso que puesto que la caja pesaba menos que antes, se levantaría levemente de la gravedad terrestre. Como consecuencia de la teoría de la relatividad general, a medida que la gravedad disminuye el tiempo se acelera (al igual que el tiempo pasa más rápido en la luna). Por lo tanto cualquier incertidumbre, por minúscula que fuera, en la medida del momento de abrir el obturador se traduciría en una incertidumbre al medir la posición de la caja. Por lo tanto no podemos medir la posición de la caja con absoluta certeza. Además habría una segunda incertidumbre: al no saber exactamente el peso de la caja habría incertidumbre en su energía y en su momento lineal. Al juntarse estas dos incertidumbres se confirma exactamente el principio de incertidumbre.

Como curiosidad decir que Einstein nada más oír la explicación le dijo a Bohr: “Dios no juega a los dados con el mundo” a lo que Bohr replicó: “Deja ya de decirle a Dios lo que debe hacer”.

Erwin Schrödinger, físico que contribuyó al desarrollo de la física cuántica, odiaba esta interpretación que se le estaba dando a sus ecuaciones y propuso otro experimento mental para intentar minar, una vez más, el principio de incertidumbre.

El experimento se conoce como el gato de Schrödinger y propone lo siguiente: “Imaginemos un gato encerrado en una caja. En la caja también hay una botella de cianuro de hidrógeno (altamente tóxico) que esta conectada a un martillo disparado por un contador Geiger que a su vez está conectado a un trozo de uranio. Tenemos claro que el decaimiento radiactivo es un efecto cuántico. Si un átomo decae activará el contador Geiger, disparará el martillo, romperá la botella y el gato morirá. Pero según la teoría cuántica no podemos saber con exactitud cuando decaerá el átomo. El uranio puede estar en los dos estados: normal o decaído. Pero si ocurre esto el gato puede estar también en los dos estados. ¿Está el gato vivo o muerto?”

Aunque el sentido común nos dice que, aunque no podamos abrir la caja, el gato está o vivo o muerto, según la física cuántica la respuesta es otra. La respuesta final según la teoría es que no lo sabemos.

La mecánica cuántica traduce todo a ondas. Antes de abrir la caja el gato está representado por una onda. Como las ondas se pueden sumar, tenemos que sumar la función de onda del gato vivo a la del gato muerto, por lo tanto el gato no está ni vivo ni muerto antes de abrir la caja. Lo único que podemos decir es que dentro de la caja hay una onda que representa al gato como vivo y otra como muerto.

Una vez que abrimos la caja podemos hacer la medición y comprobar si está vivo o muerto. Esta observación nuestra colapsa la función de ondas del gato y nos permite determinar el estado exacto del mismo.

Todo esto se traduce en que: el proceso de observación determina el estado final de un objeto.

Evidentemente este experimento planteaba muchas interrogantes filosóficas. La principal es la de: ¿Existen los objetos realmente antes de ser observados?

Esto a Einstein le parecía absurdo. Según la teoría cuántica antes de hacer una medición existimos como la suma de todos los universos posibles, no podemos asegurar si estamos vivos o muertos. Todos los sucesos antes de la observación pueden ser posibles por extraños que parezcan.

A menudo Einstein siempre le hacía la misma pregunta a todos los que le iban a visitar a su casa: ¿…Existe la luna por que la mire un ratón…?

En su continua búsqueda por encontrar una grieta en la teoría cuántica consiguió en 1933 con ayuda de sus alumnos Nathan Rosen y Boris Podolsky crear otro experimento mental que creía que sería la tumba definitiva de la “odiada” teoría.

El experimento es conocido como experimento EPR (o paradoja EPR) y consiste en lo siguiente:

“Supongamos que un átomo emite dos electrones en direcciones opuestas. Cada electrón gira sobre si mismo como una peonza. Uno gira en el sentido de las agujas del reloj y el otro en sentido contrario de modo que la suma de ambos giros es igual a cero. No conocemos en que sentido gira cada electrón, solo que giran en sentidos opuestos. Estos electrones se seguirán separando en el espacio de manera que si esperamos lo suficiente llegará un momento en que estén separados por miles de millones de kilómetros. En este momento hacemos la observación y comprobamos que uno de ellos gira en el sentido de las agujas del reloj e instantáneamente ya conocemos el sentido de giro del otro electrón a pesar de estar separados por varios años luz de distancia. Esto significa que una medición en un punto del universo determina el estado de un objeto al otro lado del mismo violando el principio de relatividad especial que dice que la velocidad de la luz es el límite máximo de velocidad (nada puede ir más rápido que la luz).”

Einstein a esto lo llamaba “misteriosa acción a distancia” y las implicaciones a nivel filosófico que acarreaban eran bastante extrañas. Implicaba que los átomos de nuestro cuerpo podían estar conectados a través de una red invisible con átomos al otro lado del universo de manera que el simple movimiento de nuestro cuerpo podría afectar a átomos situados a millones de años luz de distancia violando una vez más la relatividad especial.

También significaba (en el caso de ser cierto) que el universo no era local es decir, que sucesos ocurridos en la tierra afectan instantáneamente a sucesos ocurridos a otro lado del universo, viajando los efectos de estos sucesos mas rápido que la luz.

La réplica de la Escuela de Copenhague no tardó pero tuvo que hacer una concesión a Einstein. Reconoció la no localidad del universo cuántico. Es decir reconoció que en la física cuántica existe la acción a distancia (algo bastante dificil de entender).

Hasta el año 1964, este debate perteneció mas a la filosofía que a la ciencia. En ese momento, John Bell propuso una forma matemática para poder verificar la paradoja EPR. Bell logró deducir unas desigualdades asumiendo que el proceso de medición en Mecánica cuántica obedece a leyes deterministas, y asumiendo también localidad, es decir, teniendo en cuenta las críticas de EPR. Si Einstein tenía razón, las desigualdades de Bell son ciertas y la teoría cuántica es incompleta. Si la teoría cuántica es completa, estas desigualdades serán violadas.

Desde 1976 en adelante, se han llevado a cabo numerosos experimentos y absolutamente todos ellos han arrojado como resultado una violación de las desigualdades de Bell. Esto implica un triunfo para la teoría cuántica.

Aún hoy en día se siguen realizando experimentos basados en las ideas que plantearon Einstein-Podolsky-Rosen y lo único que saco yo como conclusión es que a pesar de que la física cuántica con su modelo estándar de explicación de la materia ha sido la que más éxitos ha cosechado a lo largo de los años yo pienso que se nos escapa algo ya que yo también pienso que Dios no juega a los dados.

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