La compuerta cerrada confirma la irrealidad del mundo cuántico


Olena Shmahalo

Revista Quanta
Después de que los investigadores encontraron una laguna

 

en un famoso experimento diseñado para demostrar

que los objetos cuánticos no tienen propiedades intrínsecas,

tres grupos experimentales

rápidamente cosió la laguna cerrada.

El episodio cierra la puerta a muchos

Teorías de “variables ocultas”.

El físico teórico John Wheeler utilizó una vez la frase “gran dragón ahumado” para describir una partícula de luz que pasa de una fuente a un contador de fotones.

“La boca del dragón es filosa, donde muerde el mostrador. La cola del dragón es nítida, donde comienza el fotón”, escribió Wheeler.

El fotón, en otras palabras, tiene una realidad definida al principio y al final.

Pero su estado en el medio, el cuerpo del dragón, es nebuloso.

“Lo que hace o parece el dragón en el medio no tenemos derecho a hablar”.

Wheeler estaba propugnando la opinión de que los fenómenos cuánticos elementales no son reales hasta que se observen, una posición filosófica llamada antirrealismo.

Incluso diseñó un experimento para mostrar que si se aferra al realismo, en el que los objetos cuánticos, como los fotones, siempre tienen propiedades intrínsecas definidas, una posición que encapsula una visión más clásica de la realidad, entonces uno se ve obligado a admitir que el futuro puede influenciar el pasado. ..

Dado el “absurdo” del viaje en el tiempo hacia atrás , el experimento de Wheeler se convirtió en un argumento para el antirrealismo en el nivel del cuanto.

Rafael Chaves,

un físico en el Instituto Internacional de Física,

y sus colegas usaron el emergente campo del modelado causal

para encontrar una laguna en el experimento de elección retrasada de Wheeler.
Instituto Internacional de Física


Pero en mayo, Rafael Chaves y sus colegas en el Instituto Internacional de Física en Natal, Brasil, encontraron una escapatoria.

Mostraron que el experimento de Wheeler, dadas ciertas suposiciones, se puede explicar utilizando un modelo clásico que atribuye a un fotón una naturaleza intrínseca.

Le dieron al dragón un cuerpo bien definido, pero que está oculto del formalismo matemático de la mecánica cuántica estándar. 

El equipo de Chaves luego propuso un giro al experimento de Wheeler para probar la laguna. Con inusual presteza, tres equipos corrieron para hacer el experimento modificado. Sus resultados, informados a principios de junio, han demostrado que una clase de modelos clásicos que defienden el realismo no puede dar sentido a los resultados.

La mecánica cuántica puede ser extraña, pero sigue siendo, curiosamente, la explicación más simple.


Dragon Trap

Wheeler ideó su experimento en 1983 para resaltar uno de los enigmas conceptuales dominantes en la mecánica cuántica:

dualidad onda-partícula …

Los objetos cuánticos parecen actuar como partículas u ondas , pero nunca ambos al mismo tiempo .

Esta característica de la mecánica cuántica parece implicar que los objetos no tienen realidad inherente hasta que se observen.

“Los físicos han tenido que lidiar con la dualidad onda-partícula como una característica esencial y extraña de la teoría cuántica durante un siglo”, dijo David Kaiser, físico e historiador de la ciencia en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

“La idea es anterior a otras características intrínsecamente extrañas de la teoría cuántica, como el principio de incertidumbre de Heisenberg y el gato de Schrödinger”.

El fenómeno se ve subrayado por un caso especial del famoso experimento de doble rendija llamado interferómetro Mach-Zehnder . En el experimento, se dispara un solo fotón en un espejo medio plateado o un divisor de haz. El fotón se refleja o se transmite con la misma probabilidad, y por lo tanto puede tomar uno de dos caminos. 

 

En este caso, el fotón tomará la ruta 1 o la ruta 2, y luego pasará al detector D1 o D2 con la misma probabilidad. El fotón actúa como un todo indivisible, mostrándonos su naturaleza de partículas. 

Pero hay un giro

En el punto donde se cruzan la ruta 1 y la ruta 2, se puede agregar un segundo divisor de haz, que cambia las cosas. En esta configuración, la mecánica cuántica dice que el fotón parece tomar ambos caminos a la vez, como lo haría una onda.

Las dos ondas vuelven a juntarse en el segundo divisor de haz.

El experimento se puede configurar para que las olas se combinen de forma constructiva, de pico a pico, de un canal a otro, solo cuando se muevan hacia D1. El camino hacia D2, por el contrario, representa una interferencia destructiva. En tal configuración, el fotón siempre se encontrará en D1 y nunca en D2.

Aquí, el fotón muestra su naturaleza ondulatoria.


Gráfico que ilustra el experimento de elección retardada
Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine


El genio de Wheeler estaba en preguntar:

¿Qué pasa si demoramos la elección de agregar el segundo divisor de haz?

Supongamos que el fotón ingresa al interferómetro sin el segundo divisor de haz en su lugar. Debería actuar como una partícula.

Sin embargo, se puede agregar el segundo divisor de haces en el último nanosegundo. Tanto la teoría como el experimento muestran que el fotón, que hasta ese momento presumiblemente actuaba como una partícula y habría ido a D1 o D2, ahora actúa como una onda y va solo a D1.

Para hacerlo, aparentemente tenía que estar en ambos caminos al mismo tiempo, no en un camino u otro. En la forma clásica de pensar, es como si el fotón retrocediera en el tiempo y cambiara su carácter de una partícula a otra. 

Una forma de evitar tal retro-causalidad es negar al fotón cualquier realidad intrínseca y argumentar que el fotón se vuelve real solo después de la medición. De esa forma, no hay nada que deshacer.

Tal antirrealismo, que a menudo se asocia con la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica , tuvo un impacto teórico con el trabajo de Chaves, al menos en el contexto de este experimento.

Su equipo quería explicar los aspectos contraintuitivos de la mecánica cuántica utilizando un nuevo conjunto de ideas llamado modelado causal, que ha crecido en popularidad en la última década, defendido por el científico informático Judea Pearl y otros.

El modelado causal implica establecer relaciones de causa y efecto entre varios elementos de un experimento.

A menudo cuando se estudian eventos correlacionados, llámelos A y B, si uno no puede decir concluyentemente que A causa B, o que B causa A, existe la posibilidad de que un tercer evento C previamente insospechado u “oculto” cause ambos. En tales casos, el modelo causal puede ayudar a descubrir a C. 

Chaves y sus colegas Gabriela Lemos y Jacques Pienaar enfocados en el experimento de elección retardada de Wheeler, esperando fallar en encontrar un modelo con un proceso oculto que otorgue una realidad intrínseca a los fotones y también explique su comportamiento sin tener que invocar retro-causalidad.

Pensaron que probarían que el experimento de elección retrasada es,

“Super contraintuitivo, en el sentido de que no hay un modelo causal que pueda explicarlo”, dijo Chaves.

Gabriela Lemos,

un físico en el Instituto Internacional de Física,

mostró cómo una “variable oculta”

podría estar afectando los resultados del experimento.
Cortesía de Gabriela Barreto Lemos

Pero se llevaron una sorpresa.

La tarea resultó relativamente fácil. Comenzaron por suponer que el fotón, inmediatamente después de haber cruzado el primer divisor de haz, tiene un estado intrínseco denotado por una “variable oculta”.

Una variable oculta, en este contexto, es algo que está ausente de la mecánica cuántica estándar, pero que influye en el comportamiento del fotón de alguna manera. El experimentador luego elige agregar o quitar el segundo divisor de haz.

El modelado causal, que prohíbe el viaje en el tiempo hacia atrás, asegura que la elección del experimentador no puede influir en el estado intrínseco pasado del fotón. 

Dada la variable oculta, que implica realismo, el equipo demostró que es posible escribir reglas que usen el valor de la variable y la presencia o ausencia del segundo divisor de haz para guiar el fotón a D1 o D2 de una manera que imite las predicciones. de la mecánica cuántica.

Aquí había una explicación clásica, causal y realista. Habían encontrado una nueva escapatoria. 

Esto sorprendió a algunos físicos, dijo Tim Byrnes , un físico cuántico teórico de la Universidad de Nueva York, Shanghai.

“Lo que la gente realmente no apreció es que este tipo de experimento es susceptible a una versión clásica que imita perfectamente los resultados experimentales”, dijo Byrnes.

“Se podría construir una teoría de variables ocultas que no involucrara la mecánica cuántica”.

“Este fue el paso cero”, dijo Chaves.

El siguiente paso fue descubrir cómo modificar el experimento de Wheeler de tal manera que pudiera distinguir entre esta teoría clásica de variables ocultas y la mecánica cuántica. 

En su experimento de pensamiento modificado, el interferómetro Mach-Zehnder completo está intacto; el segundo divisor de haz está siempre presente.

En cambio, dos “cambios de fase”, uno cerca del comienzo del experimento, uno hacia el final, cumplen la función de diales experimentales que el investigador puede ajustar a voluntad. 

El efecto neto de los dos cambios de fase es cambiar las longitudes relativas de las rutas. Esto cambia el patrón de interferencia, y con ello, el presunto comportamiento “a modo de onda” o “similar a una partícula” del fotón.

Por ejemplo, el valor del primer cambio de fase podría ser tal que el fotón actúe como una partícula dentro del interferómetro, pero el segundo cambio de fase podría forzarlo a actuar como una onda.

Los investigadores requieren que el cambio de la segunda fase se establezca después del primero. 

Con esta configuración en su lugar, el equipo de Chaves ideó una manera de distinguir entre un modelo causal clásico y la mecánica cuántica. Digamos que el primer cambio de fase puede tomar uno de tres valores, y el segundo de dos valores.

Eso hace seis configuraciones experimentales posibles en total. Calcularon lo que esperaban ver para cada una de estas seis configuraciones. Aquí, las predicciones de un modelo de variable oculto clásico y la mecánica cuántica estándar difieren. Luego construyeron una fórmula.

La fórmula toma como sus probabilidades de entrada calculadas a partir del número de veces que los fotones aterrizan en detectores particulares (basado en el ajuste de los dos cambios de fase). Si la fórmula es igual a cero, el modelo causal clásico puede explicar las estadísticas.

Pero si la ecuación escupe un número mayor que cero, entonces, sujeto a algunas restricciones en la variable oculta, no hay una explicación clásica para el resultado del experimento. 

Chaves se asoció con Fabio Sciarrino , un físico cuántico de la Universidad de Roma La Sapienza, y sus colegas para poner a prueba la desigualdad.

Simultáneamente, dos equipos en China, uno dirigido por Jian-Wei Pan , un físico experimental de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Hefei, China, y otro de Guang-Can Guo , también en USTC, llevaron a cabo la experimentar. 

Cada equipo implementó el esquema de forma ligeramente diferente.

El grupo de Guo se adhirió a lo básico, utilizando un interferómetro Mach-Zehnder real

“Es el que diría que es el más cercano a la propuesta original de Wheeler”, dijo Howard Wiseman, físico teórico de la Universidad Griffith en Brisbane, Australia, que no formaba parte de ningún equipo.

Pero los tres mostraron que la fórmula es mayor que cero con una significación estadística irrefutable. Descartaron los modelos causales clásicos del tipo que pueden explicar el experimento de elección retardada de Wheeler.

La escapatoria ha sido cerrada.

“Nuestro experimento ha rescatado el famoso experimento mental de Wheeler”, dijo Pan.


Variables ocultas que permanecen 

David Kaiser está impresionado por el trabajo teórico “elegante” de Chaves y los experimentos que siguieron.

“El hecho de que cada uno de los experimentos recientes haya encontrado claras violaciones de la nueva desigualdad … proporciona evidencia convincente de que los modelos ‘clásicos’ de tales sistemas realmente no captan cómo funciona el mundo, incluso cuando las predicciones cuánticas coinciden bellamente con los últimos resultados, ” él dijo.

La fórmula viene con ciertas suposiciones.

El más grande es que la variable oculta clásica utilizada en el modelo causal puede tomar uno de dos valores, codificados en un bit de información. Chaves piensa que esto es razonable, ya que el sistema cuántico, el fotón, también solo puede codificar un bit de información.

(O va en un brazo del interferómetro u otro).

“Es muy natural decir que el modelo de variable oculto también debe tener la dimensión dos”, dijo Chaves.

David Kaiser,

un físico e historiador en el MIT,

quiere eliminar la posibilidad

de cualquier correlación experimental invisible

empleando un generador de números aleatorios

basado en objetos astrofísicos distantes.
Fotografía de Donna Coveney


Pero una variable oculta con capacidad adicional de información puede restaurar la capacidad del modelo causal clásico para explicar las estadísticas observadas en el experimento de elección retardada modificado. 

Además, la teoría de variables ocultas más popular no se ve afectada por estos experimentos.

La teoría de De Broglie-Bohm , una alternativa determinista y realista a la mecánica cuántica estándar, es perfectamente capaz de explicar el experimento de elección retardada. En esta teoría, las partículas siempre tienen posiciones (que son las variables ocultas) y, por lo tanto, tienen una realidad objetiva, pero están guiadas por una onda.

Entonces la realidad es tanto onda como partículas 

La onda atraviesa ambos caminos, la partícula a través de uno u otro. La presencia o ausencia del segundo divisor de haz afecta la onda, que luego guía la partícula hacia los detectores, con exactamente los mismos resultados que la mecánica cuántica estándar. 

Para Wiseman, el debate sobre Copenhague versus De Broglie-Bohm en el contexto del experimento de elección retrasada está lejos de resolverse.

“Entonces en Copenhague, no hay una extraña inversión de tiempo precisamente porque no tenemos derecho a decir nada sobre el pasado del fotón”, escribió en un correo electrónico.

“En De Broglie-Bohm hay una realidad independiente de nuestro conocimiento, pero no hay problema ya que no hay inversión: hay una descripción causal única (en el tiempo) de todo”.

Kaiser, incluso mientras elogia los esfuerzos hasta ahora, quiere llevar las cosas más allá. En los experimentos actuales, la elección de agregar o no el segundo desplazamiento de fase o el segundo divisor de haz en el clásico experimento de elección retardada estaba siendo realizada por un generador de números aleatorios cuánticos.

Pero lo que se prueba en estos experimentos es la mecánica cuántica en sí misma, por lo que hay una bocanada de circularidad.

“Sería útil verificar si los resultados experimentales siguen siendo consistentes, incluso bajo diseños experimentales complementarios que dependen de fuentes de aleatoriedad completamente diferentes”, dijo Kaiser.

Con este fin, Kaiser y sus colegas han construido tal fuente de aleatoriedad utilizando fotones procedentes de cuásares distantes, algunos de más de la mitad del universo.

Los fotones fueron recolectados con un telescopio de un metro en el Table Mountain Observatory en California.

Si un fotón tiene una longitud de onda inferior a un cierto valor umbral, el generador de números aleatorios escupirá un 0, de lo contrario un 1. En principio, este bit se puede utilizar para elegir aleatoriamente la configuración experimental.

Si los resultados continúan apoyando el argumento original de Wheeler, entonces,

“Nos da una razón más para decir que la dualidad onda-partícula no va a ser explicada por alguna explicación de física clásica”, dijo Kaiser.

“El abanico de alternativas conceptuales a la mecánica cuántica ha vuelto a reducirse, ha sido relegado a un segundo plano. Eso es lo que realmente buscamos”.

Por ahora, el cuerpo del dragón , que durante unas breves semanas se había enfocado, ha vuelto a ser humo e indistinto.

https://www.bibliotecapleyades.net/ciencia3/ciencia_quantum44.htm

Un comentario en “La compuerta cerrada confirma la irrealidad del mundo cuántico

  1. Mirad toda metafísica se simplifica, plausiblemente en esta premisa: Imaginad una corriente lineal como comparativa que explique la corriente de la fuente de la energía vital que es el espacio cósmico de su universo:
    -INVISIBILIDAD.
    -TRANSPARENCIA.
    -OPACIDAD OPACA.

    Así plausible mente es el espacio, nosotros estamos situados en LA OPACIDAD OPACA, LA MATERIA, LA DIMENSIÓN DEL UNIVERSO VIRTUAL HOLOGRAMA, porque como plausibles conmutadores, transformamos la corriente de la fuente de la energía que es in animada con nuestra capacidad de vitalidad de animar, transformarla, por el pensamiento, pero necesitamos esta dimensión espacial paralela que es la materia para tomar consciencia de nuestra personalidad y nuestro ser orbe, plausiblemente…

    EL COSMOS, SU ESPACIO REAL, SU DIMENSIÓN PARALELA ES TRANSPARENTE.

    EL ORIGEN DEL ESPACIO CÓSMICO DE SU UNIVERSO ES INVISIBLE, IMAGINAD UNA ESFERA COMO EL SOL PERO BLANCO EN EL QUE ESTÁN EN ESTADO DE CRIOGENIZACIÓN LAS PRIMERAS CRIATURAS BACTERIANAS MICROSCÓPICAS QUE FLUYEN EL FLUIDO DE ESTA CORRIENTE DE LA FUENTE VITAL DE LA ENERGÍA DE LA VIDA ESPACIAL…

    Esta plausible metafísica explica la premisa del sentido de la existencia y EL CONCEPTO DE EL TODO…

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