Si Einstein lo hubiera sabido

Alain Aspect
Alain Aspect

Fragmento

cap

Prólogo

Este libro es un testimonio excepcional escrito por un físico igualmente excepcional. Alain Aspect, que nació y tuvo su primera educación en el sur de Francia, cerca de España, nos invita a acompañarlo en un viaje apasionante que parte de su primer encuentro con la física cuántica y culmina con el Premio Nobel de Física en el año 2022. Es un relato íntimo pero, a su vez, entretenido de una aventura científica que no solo abordó uno de los debates más profundos del siglo XX, sino que además ayudó a abrir la puerta de una nueva era: la llamada segunda revolución cuántica.

En estas páginas, Aspect nos sumerge en el gran duelo intelectual que marcó los cimientos de la física moderna: el debate entre Niels Bohr y Albert Einstein sobre la interpretación de la mecánica cuántica; también en la genial idea de John Bell, quien encontró una forma de discernir si esa teoría era incompleta, tal y como argumentaba Einstein, o no, como decía Bohr; y en los experimentos posteriores, en los que Aspect jugó un papel esencial y que refutaron la visión del primero. Todo esto lo hace con la pasión del que ha vivido parte de esa historia no como un mero espectador, sino como uno de sus protagonistas. Pero lo más sorprendente es que, lejos de tratarse de un tratado técnico o una autobiografía científica árida, el libro se lee con el ritmo y el suspense de una novela: la novela del entrelazamiento cuántico, de la no-localidad, de los experimentos imposibles… que terminaron siendo posibles.

El relato comienza con una mirada a los orígenes mismos de la física cuántica, cuando Max Planck, casi a su pesar, introduce la noción revolucionaria de «cuantos de energía» en el año 1900. Einstein, con su osadía característica, es quien se toma esa noción en serio y la lleva a sus consecuencias más profundas introduciendo los cuantos de luz, los fotones. Eso le permite explicar una serie de fenómenos, como el efecto fotoeléctrico o el valor de la capacidad calorífica de los sólidos, que suponían un misterio para los físicos de aquella época. El lector descubre, de la mano de Aspect, que Einstein no fue un mero crítico de la teoría cuántica: fue, en muchos sentidos, uno de sus creadores más visionarios.

Einstein no objetaba los resultados del formalismo cuántico y sabía que sus predicciones eran correctas, pero sí creía que la visión de la naturaleza que daba esta teoría estaba incompleta. Esta convicción lo llevó a enfrentarse intelectualmente con Bohr en una serie de intercambios memorables que se iniciaron en los congresos Solvay de los años veinte y alcanzaron su punto álgido en 1935, con el célebre artículo EPR (Einstein, Podolsky y Rosen), en el que se planteaba la existencia de una «realidad física» que la teoría cuántica no lograba describir.

Durante décadas, este debate fue considerado un asunto filosófico, irrelevante para los físicos. Pero en 1964, John Bell, con una claridad intelectual admirable, demostró que las visiones de Einstein y Bohr no eran tan solo dos interpretaciones, ya que podían ser contrastadas experimentalmente. Su famoso teorema mostraba que si el mundo se comporta como Einstein deseaba —es decir, si existe el «realismo local»—, entonces ciertas desigualdades estadísticas debían cumplirse. Pero si el mundo era como dictaba la mecánica cuántica, esas desigualdades podían ser violadas. Bell puso así la física cuántica a prueba como nunca antes. El debate filosófico se convirtió en algo empíricamente resoluble.

Y aquí es donde entra el joven Alain Aspect. En los años setenta, mientras enseñaba Física en Camerún como parte de su servicio civil, se topó con los artículos de Bell y los primeros intentos experimentales de John Clauser. A su regreso a Francia, comprendió que aún quedaban cuestiones abiertas, especialmente en relación con los famosos D. C. o lagunas de los experimentos previos. Con entusiasmo, determinación y, como él mismo confiesa, cierta dosis de atrevimiento, se propuso realizar los experimentos clave. Con recursos modestos pero ideas brillantes, Aspect y su equipo desarrollaron, en el Instituto de Óptica de Orsay (Francia), una serie de experimentos que han tenido una influencia definitiva en el desarrollo de la física cuántica. El primero confirmó los resultados de Clauser y el segundo perfeccionó la metodología. Pero fue el tercero, con el que logró introducir cambios rápidos en los polarizadores durante el vuelo de los fotones, el que cerró la laguna más debatida: la de la localidad. Este experimento, realizado en 1982, es hoy un clásico y está considerado como una evidencia sólida de que la realidad es, efectivamente, no local (o que la física cuántica no es incompleta si queremos mantener la imposibilidad de que existan acciones instantáneas entre objetos separados).

Aspect nos describe todo este proceso con una mezcla de precisión científica y emoción narrativa. Nos lleva al laboratorio, nos cuenta cómo lidiaba con aparatos rudimentarios, con decisiones técnicas difíciles, con noches de espera y frustración. Nos habla también del apoyo que recibió de otros físicos —incluido el propio Bell— y de los obstáculos administrativos y académicos que tuvo que sortear. Nos transmite no solo los datos, sino el alma de la investigación: la pasión por comprender y la obstinación por saber.

El libro también rinde un merecido homenaje a John Bell, no solo por su genio teórico, sino por su lucidez humana: supo ver en la propuesta de Aspect algo importante y lo animó a llevarla a la práctica. También hay una deferencia constante hacia Einstein, no como un obstáculo al progreso cuántico, sino como quien vio más lejos que nadie. Como dice el propio Aspect, el artículo EPR no estaba equivocado: anticipaba una de las características más sorprendentes del mundo, el entrelazamiento cuántico, que hoy es la base de nuevas tecnologías como la computación cuántica, la criptografía cuántica o la metrología ultraprecisa. Porque, más allá del debate intelectual, este libro muestra cómo las ideas más abstractas acaban transformando el mundo. La segunda revolución cuántica, que se apoya en la manipulación del entrelazamiento y la no-localidad, es una realidad tecnológica en pleno desarrollo. Y Alain Aspect, con sus experimentos, ha sido uno de sus padres y uno de sus más fervientes embajadores.

Este libro también es una lección de epistemología. Nos enseña cómo se construye el conocimiento científico: a través de la duda, la crítica, la imaginación, el rigor y, sobre todo, la confrontación con los hechos. La historia de Bohr, Einstein y Bell es de respeto mutuo, de desacuerdo honesto y, finalmente, de resolución empírica. Una historia que debería inspirar no solo a los físicos, sino a cualquiera que se pregunte cómo sabemos lo que sabemos.

Pero este libro no sería lo que es si no estuviera escrito por quien lo ha escrito. Alain Aspect, además de un físico extraordinario, es una persona generosa, brillante, con un sentido del humor delicioso y un carácter muy mediterráneo. Tiene una vitalidad contagiosa y es un lujo hablar con él, ya sea de física o de cualquier otro tema. Además —y esto no lo sabe todo el mundo— es un mago excepcional. Uno de mis recuerdos más entrañables con Alain fue en Israel, durante la ceremonia del Premio Wolf, en 2013, que él ya había recibido junto con Clauser y Zeilinger. La noche antes de la entrega, cenamos juntos un grupo de físicos y nuestras familias. Alain fue el alma de la velada: organizó una sesión de magia cuántica, en la que ilustraba con juegos de cartas y efectos visuales conceptos como la no-localidad o la teleportación. Fue una noche inolvidable: nos reímos, nos asombramos y, sobre todo, reinó esa atmósfera tan especial que nos dejaron las viejas generaciones de físicos y físicas cuánticos. Este libro transmite ese mismo espíritu: rigor y maravilla, conocimiento y alegría, pasión por entender la naturaleza y el placer de compartir lo aprendido. Es una obra de referencia tanto para quienes se inician en la física cuántica como para quienes han vivido este campo durante décadas. La historia de cómo un joven físico del sur de Francia, curioso, rebelde y generoso, se atrevió a responder a una de las preguntas más profundas de la ciencia. Y lo logró.

¿Y qué habría pensado Einstein si hubiera conocido el resultado de estos experimentos? Aspect no nos da una respuesta definitiva —porque sería osado hacerlo—, pero sí nos ofrece una reflexión tan provocadora como humilde. Para conocerla… nada mejor que leer este fascinante libro.

IGNACIO CIRAC

Introducción

«Do you have a permanent position?».

«¿Tiene usted un puesto fijo?». Estas fueron las primeras palabras de John Stewart Bell, una mañana de la primavera de 1975, en su despacho del departamento de Física Teórica del CERN, en Ginebra. Yo acababa de presentar un esquema experimental inédito pensado para poner a prueba las desigualdades que él había descubierto. El envite era considerable: nada menos que zanjar un debate entre Niels Bohr y Albert Einstein. Mi proyecto pretendía utilizar fotones —partículas de luz— para llevar a la práctica una sugerencia teórica que Bell había planteado en la conclusión de su artículo fundacional de 1964. Esperaba mantener una discusión científica sobre el fondo de mi propuesta… ¡y lo que me encontré fue una pregunta sobre mi situación administrativa! ¿Por qué?

Me explicó que para la mayoría de los físicos esta era una cuestión carente de interés, incluso absurda, y que a un joven físico que se embarcase en un proyecto como este se lo trataría como un crackpot (literalmente, una «cafetera agrietada»), un chalado. Le respondí que tenía la suerte de ser funcionario de carrera, docente-investigador en la Escuela Normal Superior (ENS) de Cachan. Siempre que cumpliese con mis obligaciones docentes, tenía libertad para investigar sobre lo que yo quisiera y donde yo quisiera. Y lo que yo quería era trabajar en las consecuencias del descubrimiento de Bell. Zanjar experimentalmente la discusión entre estos dos monstruos sagrados de la física, Einstein y Bohr; ¿podía haber algo más emocionante para el loco de la física que era yo?

¿Sobre qué trataba este debate? Einstein no tenía ninguna duda sobre la validez del formalismo cuántico,[1] esto es, sobre su capacidad de predecir los resultados de los experimentos. Pero creía que este formalismo era solo provisional y que acabaría siendo superado por una teoría más detallada. A esas alturas, el debate era de naturaleza puramente filosófica: versaba tan solo sobre la interpretación de la teoría cuántica, y no tenía por tanto ninguna consecuencia sobre la aplicación práctica de dicha teoría. Esta era la razón por la que la mayoría de los físicos lo consideraban algo inútil. No sabían que, desde los trabajos de Bell en 1964, en principio era posible resolver el debate entre Einstein y Bohr mediante un experimento.

He querido escribir este libro para compartir con ustedes mi fascinación por este debate, que me llevó en 1974 a embarcarme en una aventura experimental algo disparatada para saber quién tenía razón, Bohr o Einstein, basándome en los trabajos de Bell. Casi medio siglo después, recibí el Premio Nobel de Física de 2022, con John Clauser y Anton Zeilinger, por haber dado una respuesta experimental convincente que demostraba que debíamos renunciar a la visión del mundo de Einstein.

Para mí, esta historia empieza en 1973, un poco antes de mi encuentro con Bell. Estoy entonces en Camerún, donde enseño física a futuros profesores de universidad e instituto como voluntario del servicio nacional, en compañía de mi mujer, Annie, que imparte clases de química a esos mismos alumnos. En la Universidad de Orsay y en la ENS de Cachan he recibido una formación excelente en física clásica, pero no así en física cuántica. Me siento frustrado por ello, porque sé que es una disciplina esencial de la física moderna. Cuando me entero de que se ha publicado un nuevo libro[2] que presenta la física cuántica de manera clara y rigurosa, me hago con él y estudio sus dos tomos desde la primera página hasta la última. Así es como en el otoño de 1974, a mi vuelta de Camerún, estoy en condiciones de comprender los cálculos cuánticos relativos a dos partículas «entrelazadas». Se trata de una situación descubierta teóricamente en 1935 por Albert Einstein, Borís Podolski y Nathan Rosen, en la que dos partículas que en el pasado han interactuado —pero que ahora están separadas— parecen seguir en contacto instantáneo sea cual sea la distancia que haya entre ellas. Tomando en consideración los resultados del cálculo cuántico aplicado a esta situación, que en este libro denominaré «situación EPR», Einstein y sus colegas llegaron a la conclusión de que las dos partículas entrelazadas poseen propiedades adicionales a las que se tienen en cuenta en los cálculos, y de que la descripción de semejante sistema mediante el formalismo cuántico no es completa. De ello dedujeron que la teoría cuántica tal como se conocía entonces no era la definitiva, sino tan solo una aproximación de otra teoría más precisa. Bohr no estaba de acuerdo, y afirmaba que el formalismo describía todo aquello que podía saberse sobre las partículas entrelazadas y que no había que seguir buscando.

Es casi treinta años después, en 1964, cuando Bell publica su gran descubrimiento.[3] Tomándose en serio la conclusión de Einstein, e inspirado por la visión del mundo de este, completa el formalismo cuántico asignando a las partículas unos parámetros adicionales. Muestra así que, según este nuevo formalismo, los resultados de medida que cabe esperar obtener en una situación de tipo EPR[4] deben satisfacer unas desigualdades que hoy se conocen como «desigualdades de Bell». A la inversa, el cálculo cuántico tradicional predice que los resultados de medida deben entrar en conflicto con esas desigualdades; se habla entonces de «violación» de las desigualdades de Bell. Basta así con realizar un experimento de laboratorio para zanjar el debate entre Bohr y Einstein: o bien se obtiene una violación de las desigualdades de Bell, como predice la mecánica cuántica, en cuyo caso Bohr tenía razón al rechazar el punto de vista de Einstein, o bien se obtienen resultados que satisfacen las desigualdades de Bell, lo que valida la visión del mundo de Einstein. En este último caso, nos encontramos con una situación en la que la mecánica cuántica falla, algo que Bohr no puede concebir.

Einstein, Bohr o Bell son teóricos que razonan a partir de experimentos mentales —experimentos que las leyes fundamentales de la física en principio permiten, pero que son inaccesibles a las técnicas experimentales conocidas—. ¿Podemos idear un experimento real que pueda llevarse a cabo en un laboratorio? La respuesta está en la documentación que me hace llegar Christian Imbert, un joven profesor del Instituto de Óptica, en octubre de 1974. Ahí encuentro, para empezar, el artículo de Bell de 1964, cuyo contenido literalmente me estremece, junto con los artículos de EPR y de Bohr de 1935. Pero esa documentación contiene también un artículo[5] de 1969 en el cual John Clauser y sus colegas, Michael Horne, Abner Shimony y Richard Holt, describen una situación en principio realizable en un laboratorio para poner a prueba las desigualdades de Bell. En este esquema, que denominaremos «CHSH», se considera un par de fotones entrelazados de los que medimos la polarización, una propiedad fundamental en óptica cuántica que presentaré en la parte central del libro. En ese mismo dosier, hay también dos manuscritos de tesis defendidas en 1972, una en Berkeley y la otra en Harvard, que presentaban los resultados de dos experimentos que habían aplicado el esquema CHSH. El primero, realizado por Clauser, obtiene una violación de las desigualdades de Bell de acuerdo con las predicciones cuánticas, a diferencia de lo que ocurre con el segundo. ¡Qué situación más emocionante! Tenemos ante nosotros dos resultados contradictorios, y harán falta nuevos experimentos para poder resolver esta discrepancia.

Estamos en 1974 y es probable, a mi juicio, que ya existan laboratorios que cuenten con las competencias necesarias para llevar a cabo este tipo de experimentos. Como yo carezco de ellas, sería un disparate lanzarme a esta batalla. Sin embargo, atisbo la posibilidad de aportar mi granito de arena. En efecto, los experimentos de 1972 no abordan una sugerencia que se presentaba como importante en el artículo de Bell de 1964; se trataba de evitar que una interacción desconocida pudiera permitir que los aparatos de medida separados entre sí se influyeran mutuamente. Para ello, haría falta cambiar con suma rapidez la configuración de los aparatos (denominados «polarizadores») antes de efectuar las medidas de polarización. Se trataba de impedir toda posibilidad de interacción entre ellos, salvo que se aceptase la existencia de una interacción que se propagara más rápido que la luz, lo que entraría en contradicción con la relatividad de Einstein. Llevar a la práctica un esquema así me parece algo de gran interés, ya que pone en juego el conjunto de elementos que constituían la visión del mundo de Einstein, incluida la relatividad. Aún hay que encontrar una manera de modificar rápidamente la configuración de los polarizadores. Tardaré varias semanas en imaginar una solución, que combinará, por una parte, mis conocimientos sobre la interacción entre la luz y una onda acústica y, por otra, el recuerdo preciso de un experimento que mi profesor de física del último año de instituto en Agen presentó ante la clase.

Le explico mi proyecto a Christian Imbert, quien me recomienda que se lo exponga a John Bell en Ginebra. «Te pago el viaje. Si Bell considera que merece la pena hacer tu experimento, lo podrás montar en mi grupo de investigación, el grupo de experimentos fundamentales en óptica». Es así como acabo, varias semanas más tarde, frente a John Bell, quien, tras asegurarse de la estabilidad de mi puesto de profesor asociado, me prodiga palabras de aliento y consejos y confirma que mi esquema aporta a los experimentos que ya están en curso un elemento crucial si realmente se quiere poner a prueba la totalidad de la visión del mundo de Einstein. Vuelvo de Ginebra con la bendición de ese teórico imponente y la moral por las nubes, pero también con una leve inquietud a raíz del comentario de Bell sobre la mala reputación de la cuestión en la que quiero volcarme. No le oculto esta dificultad a Christian Imbert, pero él no se desdice de su promesa y me proporciona los medios para iniciar mi experimento; básicamente, tres salas contiguas y acceso a los extraordinarios recursos técnicos del Instituto de Óptica.

Está decidido: mi tesis versará sobre una prueba experimental de las desigualdades de Bell con el esquema que he imaginado, a fin de zanjar un debate entre dos gigantes de la física, Niels Bohr y Albert Einstein.

John Bell delante del esquema del experimento realizado en el Instituto de Óptica en 1982. (Wikimedia Commons, fuente: <https://cds.cern.ch/record/969981>).

Contenido del libro

El hilo conductor de este libro es Albert Einstein, que fue el primero en comprender el carácter radical de la física cuántica. Fue en sus discusiones con Bohr cuando Einstein puso de manifiesto el increíble fenómeno del entrelazamiento cuántico entre objetos separados en el espacio. Apoyándose en el razonamiento de Einstein, Bell descubrió las desigualdades que llevan su nombre. Y tomar como referencia su visión del mundo me llevó a admitir la asombrosa propiedad que es la no localidad cuántica.

En el capítulo 1, insisto en el hecho de que Einstein es el primer físico en comprender la envergadura de la revolución propiciada por la idea de la cuantización, introducida por Max Planck en 1900. Einstein hace contribuciones fundamentales al surgimiento de la física cuántica, en particular en lo relativo a la luz. Tras haber propuesto en 1905 el concepto de «cuanto de luz», recurre a partir de 1909 a la idea de la dualidad onda-partícula, que Louis de Broglie aplicará en 1923 a las partículas materiales. En 1916, Einstein escribe las

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