Un experimento cuántico paradójico nos cuestiona lo que llamamos realidad.

Si un árbol cae en un bosque y no hay nadie que lo oiga, ¿hace ruido? Algunos dicen que no.

¿Y si hay alguien que lo oye? Si crees que eso significa que obviamente hizo un sonido, quizá debas revisar esa opinión.

Hemos encontrado una nueva paradoja en la mecánica cuántica -una de nuestras dos teorías científicas más fundamentales, junto con la teoría de la relatividad de Einstein- que pone en duda algunas ideas de sentido común sobre la realidad física.

La mecánica cuántica contra el sentido común

Fíjese en estas tres afirmaciones:

- Cuando alguien observa que ocurre un acontecimiento, es que realmente ha ocurrido.

- Es posible hacer elecciones libres, o al menos, estadísticamente aleatorias.

- Una elección hecha en un lugar no puede afectar instantáneamente a un suceso lejano. (Los físicos llaman a esto "localidad").

Todas estas son ideas intuitivas, y ampliamente creídas incluso por los físicos. Pero nuestra investigación, publicada en Nature Physics, demuestra que no pueden ser todas ciertas, o que la propia mecánica cuántica debe romperse en algún nivel.

Este es el resultado más contundente de una larga serie de descubrimientos de la mecánica cuántica que han puesto patas arriba nuestras ideas sobre la realidad. Para entender por qué es tan importante, veamos esta historia.

La batalla por la realidad

La mecánica cuántica funciona muy bien para describir el comportamiento de objetos diminutos, como los átomos o las partículas de luz (fotones). Pero ese comportamiento es... muy peculiar.

En muchos casos, la teoría cuántica no da respuestas definitivas a preguntas como "¿dónde está esta partícula ahora mismo?". En su lugar, sólo proporciona probabilidades de dónde podría encontrarse la partícula cuando se observe.

Para Niels Bohr, uno de los fundadores de la teoría hace un siglo, esto no se debe a la falta de información, sino a que propiedades físicas como la "posición" no existen realmente hasta que se miden.

Y lo que es más, como algunas propiedades de una partícula no pueden observarse perfectamente de forma simultánea -como la posición y la velocidad- no pueden ser reales simultáneamente.

Nada menos que Albert Einstein consideró esta idea insostenible. En un artículo publicado en 1935 con sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen, argumentó que la realidad debía ser más que lo que la mecánica cuántica podía describir.

El artículo consideraba un par de partículas distantes en un estado especial que ahora se conoce como estado "enredado". Cuando se mide la misma propiedad (por ejemplo, la posición o la velocidad) en ambas partículas entrelazadas, el resultado será aleatorio, pero habrá una correlación entre los resultados de cada partícula.

Por ejemplo, un observador que mida la posición de la primera partícula podría predecir perfectamente el resultado de la medición de la posición de la distante, sin siquiera tocarla. O el observador podría elegir predecir la velocidad en su lugar. Esto tendría una explicación natural, argumentaban, si ambas propiedades existieran antes de ser medidas, en contra de la interpretación de Bohr.

Sin embargo, en 1964 el físico norirlandés John Bell descubrió que el argumento de Einstein se derrumbaba si se llevaba a cabo una combinación más complicada de mediciones diferentes de las dos partículas.

Bell demostró que si los dos observadores eligen al azar y de forma independiente entre medir una u otra propiedad de sus partículas, como la posición o la velocidad, los resultados promedio no pueden explicarse en ninguna teoría en la que tanto la posición como la velocidad fueran propiedades locales preexistentes.

Eso parece increíble, pero los experimentos han demostrado ahora de forma concluyente que las correlaciones de Bell se producen. Para muchos físicos, esto es una prueba de que Bohr tenía razón: las propiedades físicas no existen hasta que se miden.

Pero esto plantea la pregunta crucial: ¿qué tiene de especial una "medición"?

El observador, observado

En 1961, el físico teórico húngaro-estadounidense Eugene Wigner ideó un experimento mental para mostrar qué tiene de especial la idea de la medición.

Consideró una situación en la que su amigo entra en un laboratorio herméticamente cerrado y realiza una medición de una partícula cuántica: su posición, por ejemplo.

Sin embargo, Wigner se dio cuenta de que si aplicaba las ecuaciones de la mecánica cuántica para describir esta situación desde el exterior, el resultado era muy diferente. En lugar de que la medición del amigo haga real la posición de la partícula, desde la perspectiva de Wigner el amigo se enreda con la partícula y se contagia de la incertidumbre que la rodea.

Esto es similar al famoso gato de Schrödinger, un experimento mental en el que el destino de un gato en una caja se enreda con un evento cuántico aleatorio.

Para Wigner, ésta era una conclusión absurda. En cambio, él creía que una vez que la consciencia de un observador se involucrara, el entrelazamiento se "colapsaría" para que la observación del amigo fuera definitiva.

Pero, ¿y si Wigner estaba equivocado?

Nuestro experimento

En nuestra investigación, nos basamos en una versión ampliada de la paradoja del amigo de Wigner, propuesta por primera vez por Časlav Brukner, de la Universidad de Viena. En este escenario, hay dos físicos -llamados Alice y Bob- cada uno con sus propios amigos (Charlie y Debbie) en dos laboratorios distantes.

El aparato experimental para probar la paradoja usando partículas de luz.

Hay otro giro: Charlie y Debbie miden ahora un par de partículas enredadas, como en los experimentos de Bell.

Como en el argumento de Wigner, las ecuaciones de la mecánica cuántica nos dicen que Charlie y Debbie deberían enredarse con sus partículas observadas. Pero como esas partículas ya estaban entrelazadas entre sí, Charlie y Debbie también deberían entrelazarse, en teoría.

¿Pero qué implica eso experimentalmente?

Nuestro experimento es el siguiente: los dos amigos entran en sus laboratorios y miden sus partículas. Un tiempo después, Alice y Bob lanzan una moneda cada uno. Si sale cara, abren la puerta y preguntan a su amigo qué han visto. Si sale cruz, realizan una medición diferente.

Esta medición diferente siempre dará un resultado positivo para Alice si Charlie está entrelazado con su partícula observada de la forma calculada por Wigner. Igualmente para Bob y Debbie.

En cualquier realización de esta medición, sin embargo, cualquier registro de la observación de los amigos dentro del laboratorio está bloqueado para que no llegue al mundo exterior. Charlie o Debbie no recordarán haber visto nada dentro del laboratorio, como si se despertaran de una anestesia total.

Pero, ¿ha sucedido realmente, aunque no lo recuerden?

Si las tres ideas intuitivas del principio de este artículo son correctas, cada amigo vio un resultado real y único para su medición dentro del laboratorio, independientemente de si Alice o Bob decidieron después abrir su puerta. Además, lo que ven Alice y Charlie no debería depender de cómo caiga la moneda lejana de Bob, y viceversa.

Demostramos que si este fuera el caso, habría límites a las correlaciones que Alice y Bob podrían esperar ver entre sus resultados. También demostramos que la mecánica cuántica predice que Alice y Bob verán correlaciones que van más allá de esos límites.

A continuación, hicimos un experimento para confirmar las predicciones de la mecánica cuántica utilizando pares de fotones entrelazados. El papel de la medición de cada amigo lo desempeñó uno de los dos caminos que puede tomar cada fotón en el montaje, dependiendo de una propiedad del fotón llamada "polarización". Es decir, el camino "mide" la polarización.

Nuestro experimento es sólo una prueba de concepto, ya que se trata de "amigos" muy pequeños y sencillos. Pero abre la cuestión de si los mismos resultados se mantendrían con observadores más complejos.

Es posible que nunca podamos realizar este experimento con seres humanos reales. Pero sostenemos que tal vez algún día sea posible crear una demostración concluyente si el "amigo" es una inteligencia artificial de nivel humano que funcione en un enorme ordenador cuántico.

¿Qué significa todo esto?

Aunque puede que falten décadas para llegar a una prueba concluyente, si las predicciones de la mecánica cuántica se mantienen, esto tiene fuertes implicaciones para nuestra comprensión de la realidad, incluso más que las correlaciones de Bell. Por un lado, las correlaciones que hemos descubierto no pueden explicarse simplemente diciendo que las propiedades físicas no existen hasta que se miden.

Ahora se está cuestionando la realidad absoluta de los propios resultados de las mediciones.

Nuestros resultados obligan a los físicos a enfrentarse al problema de la medición de frente: o bien nuestro experimento no se ajusta a la escala y la mecánica cuántica da paso a la llamada "teoría del colapso objetivo", o bien hay que rechazar uno de nuestros tres supuestos de sentido común.

Hay teorías, como la de Broglie-Bohm, que postulan la "acción a distancia", en la que las acciones pueden tener efectos instantáneos en otros lugares del universo. Sin embargo, esto entra en conflicto directo con la teoría de la relatividad de Einstein.

Algunos buscan una teoría que rechace la libertad de elección, pero exigen una causalidad hacia atrás, o una forma aparentemente conspirativa de fatalismo llamada "superdeterminismo".

Otra forma de resolver el conflicto podría ser relativizar aún más la teoría de Einstein. Para Einstein, diferentes observadores podían estar en desacuerdo sobre cuándo o dónde ocurre algo, pero lo que ocurre era un hecho absoluto.

Sin embargo, en algunas interpretaciones, como la Mecánica Cuántica Relacional, o el QBismo, o la interpretación de los Muchos Mundos, los eventos en sí mismos pueden ocurrir sólo en relación con uno o más observadores. Un árbol caído observado por uno puede no ser un hecho para todos los demás.

Todo esto no implica que puedas elegir tu propia realidad. En primer lugar, puedes elegir las preguntas que te haces, pero las respuestas te las da el mundo. E incluso en un mundo relacional, cuando dos observadores se comunican, sus realidades se entrelazan. De este modo, puede surgir una realidad compartida.

Esto significa que si ambos presenciamos la caída del mismo árbol y tú dices que no lo oyes, puede que sólo necesites un audífono.

Por Eric Cavalcanti, Universidad de Griffith. Este artículo ha sido publicado por The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.