Experimentos sobre realismo local

Experimentos: la renuncia al realismo local

 La cuestión fundamental respecto a las desigualdades de Bell, o teoremas tipo Bell, es que si, hasta su formulación, el debate entre los partidarios de la postura EPR, de un lado, y los partidarios de la interpretación de Bohr, u ortodoxos en general, de otro, era un debate metafísico, a partir del trabajo de Bell se demuestra que puede resolverse en el laboratorio:

 Existen situaciones experimentales (planteadas desde 1964) en que realismo local y M.C. son inconsistentes, esto es, conducen a predicciones distintas para los resultados.

 Es evidente que se impone realizar los correspondientes experimentos, a fin de averiguar cuál es el resultado que se obtiene: el predicho por la teoría de V.O. local, o el predicho por la M.C.

Experimentos hasta 1980

  • El artículo de la desigualdad C-H-S-H contenía una propuesta experimental concreta: extender un experimento anterior realizado en 1966 por C. Hocher y E. Commins en Berkeley, en el que se medían las correlaciones entre las polarizaciones de dos fotones correlacionados producidos en desintegraciones atómicas en cascada: se excitan átomos de Ca que decaen emitiendo dos fotones entrelazados (ver figura más adelante, en apartado experimentos de Aspect). Tras su publicación, Clauser se trasladó a Berkeley, donde acometería su realización en colaboración con Commins y Freedman. Finalmente, publicarían en 1972 unos pioneros resultados a favor de la Mecánica Cuántica, de los que se derivaba que las predicciones del realismo local eran erróneas.
  • Holt, por su parte, en Harvard y en colaboración con Pipkin, finalizó en 1973 otro experimento similar, usando también desintegraciones atómicas en cascada, pero esta vez con isótopos de Hg. Sus resultados, a diferencia de los de Clauser y Freedman, fueron a favor del realismo local, pero dado lo controvertido del tema, optaron por no darles demasiada publicidad, divulgándolos sólo como preprint.
  • Un resumen de los experimentos realizados hasta 1980, fecha de los experimentos de Aspect -los primeros considerados por muchos como concluyentes- puede consultarse en las siguientes referencias:
    1.   Bell, J.S.; “Einstein-Podolsky-Rosen experiments”, Proceedings of the Symposium on Frontier Problems in High Energy Physics, Pisa, junio 76, pp.33-45, trad. en [BEL-90].
    2.  Referencias [JAM-74] y [SEL-88] de la bibliografía.
    3.  B. d’Espagnat, “Teoría cuántica y realidad”, en [INV-97]: V.V.A.A.; Misterios de la Física Cuántica, Investigación y Ciencia, Temas 10, 1997, pp. 13-27; enlace a Investigación y Ciencia; (también en el enlace D’Espagnat).
    4.  El artículo de Ferrero sobre las desigualdades de Bell (véase la última página).
  • Entre estos experimentos los hay que refieren a pares de protones y, la mayoría, a pares de fotones. Con contadas excepciones, los resultados fueron favorables a la M.C.: registraron violaciones de la desigualdad de Bell.
  • Ninguno de ellos es un experimento de “elección retardada”: en ninguno de ellos se realizaban cambios en las orientaciones de los analizadores con las partículas ya en vuelo: decidir qué se va a medir tras la emisión del par correlacionado.
  • Y ninguno de ellos obtuvo credibilidad suficiente, por varias razones:
    1. Se involucraban demasiadas hipótesis ad hoc.
    2. No eran de elección retardada, y al estar los analizadores dispuestos en sus orientaciones antes de iniciarse el vuelo de las partículas, cabía la posibilidad de considerar que la emisión se producía con unas características determinadas (¿por una teoría de V.O. local?) que conduciría a la reproducción de las correlaciones cuánticas: violación de la desigualdad de Bell por una “conspiración fotónica”.

Los experimentos de Aspect (1981-1982)

 Los primeros experimentos que van a ser aceptados mayoritariamente como concluyentes respecto a la cuestión de si los experimentos violan la desigualdad de Bell son los que van a realizar Aspect et al en 1981 en el Instituto de Óptica Teórica y Aplicada de la Univ. de París-Sur, en Orsay:

 Aspect, A., Grangier, P. and Roger, G.; “Experimental Tests of Realistic Local Theories via Bell’s Theorem“, Physical Review Letters 47 (1981) 460-463; “Realization of E-P-R-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities”, Physical Review Letters 49 (1982) 91-94;

http://prola.aps.org/abstract/PRD/v14/i8/p1944_1

http://prola.aps.org/abstract/PRL/v47/i7/p460_1

http://prola.aps.org/abstract/PRL/v49/i25/p1804_1

http://perso.wanadoo.fr/eric.chopin/epr/aspect.htm

 [BAG-92], pp. 141-158.

 Como fuente de pares de partículas (fotones) correlacionadas hicieron uso de la emisión en cascada de átomos de Ca excitados al estado 1S0 (4p2); la excitación de los dos electrones externos se consigue de forma directa desde el estado fundamental hasta el 1S0, sin pasar por el intermedio 1P1 , mediante dos láseres que provocaban la absorción simultánea de dos fotones, poco probable de otra manera:aspectcascadeopt(imagen tomada de http://perso.wanadoo.fr/eric.chopin/epr/aspect.htm)

 Se provoca la emisión de un par de fotones correlacionados: en estados opuestos de polarización.

  • Emplearon un haz de átomos de Ca adecuadamente colimado, con una densidad de 3×1010 átomos/cm3, para prevenir interacciones, mutuas y con las paredes de la cámara, que pudieran derivar en emisión y absorción de luz.
  • La luz emitida, fotones correlacionados verde (551.3 nm) y azul (422.7 nm), se monitoriza según direcciones opuestas , consiguiéndose, con los filtros adecuados, conducirlos según los caminos A y B:
    -ver figura en http://www.roxanne.org/epr/experiment.html (también en [BAG-92]):

    Montaje experimengtal de Aspect et al

    Montaje experimental de Aspect et al.

  • Descripción del montaje:
    -incluye dos analizadores de polarización, montados cada uno sobre una plataforma que permite el giro en torno al correspondiente eje óptico, pudiendo disponerse orientaciones relativas diferentes entre los dos polarizadores.
    -cada analizador de polarización, en teoría, transmite toda la luz polarizada de forma paralela a su eje y refleja la polarizada perpendicularmente a él.
    -eficiencia de los analizadores:
    a) para 551.3 nm: T(pol. vertical) = R(pol. horizontal) = 0.950;
    b) para 551.3 nm: T(pol. horizontal) = R(pol. vertical) = 0.007;
    c) para 442.7 nm: T(pol. vertical) = R(pol. horizontal) = 0.930;
    d) para 442.7 nm: T(pol. horizontal) = R(pol. vertical) = 0.007.
    -distancia entre los analizadores: 13 m.
    -incluye 4 fotomultiplicadores con los dispositivos electrónicos necesarios para registrar detecciones en coincidencia entre los dos fotones dentro de una ventana de 20 ns; la vida media del estado excitado 4s4p (1P1) es de 5 ns.
    -Fotografías (tomadas de http://eric.chopin.pagesperso-orange.fr/epr/aspect.htm).:

    Montaje experimental de Aspect et al.

    Montaje experimental de Aspect et al.

    Fuente de átomos de Ca.

    Polarizadores

    Polarizadores.

  • Para ser detectados en coincidencia, los fotones han de ser detectados con un intervalo máximo de 20ns. Por otra parte, cualquier señal que viaje de un fotón al otro debe recorrer 13 m en 20 ns; con v = c necesitaría 40 ns. Por tanto, los dos analizadores pueden considerarse “suficientemente” separados.
  • Se miden razones (rates) de coincidencia: número de coincidencias por unidad de tiempo.
  • Resultados y comparación con M.C.:
    1. Predicción mecano-cuántica:http://www.roxanne.org/epr/qmS.html
    2. Predicción del realismo local: http://www.roxanne.org/epr/eprS.html
    3. Resultados: http://roxanne.org/epr/results.html :

      Resultados Aspect et al.

      Imagen de: http://www.roxanne.org/epr/results.html

  • Ejemplo de resultados (para cierto conjunto de ángulos {a,b,c,d}):
    -valor teórico V.O. Local: E_{CHSH}\le 2
    -valor teórico M.C.: E_{CHSH} = 2\sqrt{2} =2.828
    -valor M.C. corregido deficiencias instrumentales: E_{CHSH} = 2.70 \pm 0.05
    -valor experimental: E_{CHSH} =2.697 \pm 0.015
     Se obtiene una violación de la desigualdad CHSH según lo predicho por la M.C.

 A continuación, Aspect et al repitieron su experimento, modificándolo para convertirlo en un experimento de elección retardada.

Análisis final: la renuncia al realismo local

 La mayoría de los físicos, incluidos Bell y Bohm, han aceptado las graves dificultades que conlleva para el realismo local el resultado de los experimentos realizados.

 ¿ Es el de Aspect et al un experimento “definitivo” que cierra el tema?

  • Bell dio la siguiente respuesta:
     J.S. Bell en Davies, P.C.W. and Brown, J.R., ed.; The ghost in the atom, Cambridge Univ., Cambridge, 1986; [DAV-86], p. 52; archivo daviesghost.pdf:
     It is a very important experiment, and perhaps it marks the point where one should stop and think for a time, but I certainly hope it is not the end. I think that the probing of what quantum mechanics means continue, and in fact it will continue, whether we agree or not that it is worthwhile, because many people are sufficiently fascinated and perturbed by this that it will go on.
    -En la referencia pueden leerse unas entrevistas con Bell y Aspect sobre esta cuestión: [DAV-86], pp. 40-44, 45-57 y 118-134.
  • La famosa frase de Wheeler resume la situación:
     J.A. Wheeler en The American Philosophical Society and The Royal Society: papers read at a meeting, June 5, American Philosophical Society, Philadelphia):

     “No elementary phenomenon is a phenomenon until it is a registered (observed) phenomenon”

  • Las consecuencias filosóficas y epistemológicas son demoledoras (si se acepta el resultado):

      El realismo local queda refutado por los hechos

     Espagnat, B. d’; “La no-separabilidad o la realidad incomprensible”, en [DEL-90], pp. 127-131:

     La novedad que los experimentos de este tipo nos aportan es la certidumbre por fin conseguida de que esta idea (la de que pueden considerarse como válidos los conceptos conjuntos de realismo y separabilidad no obstante la excelencia de las reglas de cálculo cuánticas) no es válida. Más exactamente (porque no hay que dejar de tener en cuenta los diversos riesgos de los experimentos), lo que nos aportan es la idea de que la afirmación “Realismo y separabilidad son verdaderos” es irreconciliable no solamente con tal o cual a priori filosófico o epistemológico, sino, más significativamente, con los hechos.

 Lectura sugerida:
 J.A. Wheeler, en “Law without law“; J.A. Wheeler and W.H. Zurek eds., Quantum Theory and Measurement, Princenton Univ., Princenton, 1983; [WHE-83], pp. 182-213 (muy interesante, y muy discutible y discutido):
 Registration equipment operating in the here and now has an undeniable part in bringing about that which appears to have happened. Useful as it is under every-day circumstances to say that the world exists ‘out there’ independent of us, that view can no longer be upheld. There is a strange sense in which this is a ‘participatory universe’.

 El realismo local debe ser sustituido por una realidad no separable:

 El “entanglement” o entrelazamiento como característica de lo real

 “Una realidad no separable”

 

 Una realidad empírica u observada, en el contexto de una postura instrumentalista que, en última instancia, elude interpretar la teoría…

 Heterodoxos: no consideran los experimentos descritos como definitivamente concluyentes:

“el realismo local no está refutado”

…al menos, definitivamente (y por hoy…).

-Un ejemplo serio:
 http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-5886-2_30

-Y una exposición de algunas de las razones aducidas por variadas fuentes (algunas no aceptadas del todo por los científicos más rigurosos) o loopholes en el experimento (escojo citar la wikipedia porque, como fuente abierta, sirve también como ilustración de lo emotivo que es para algunos la asunción de la pérdida del realismo local):

 página de discusión en Wikipedia.

-Aunque los loophooles pendientes van cerrándose poco a poco:

 P. Grangier, “Count them all“, Nature 409 (2001) 774-775.

 A. Aspect, Bell’s inequality test: more ideal than ever“, Nature 398 (1999) 189-190.

-Recopilación de referencias para algunos cierres de loops:

http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_test_experiments

Closing the door:

 http://physics.aps.org/articles/v8/123

espiral Divulgando el tema: The Big Bell test
Bibliografía

[ACZ-02] Aczel, A.D.; Entanglement. The greatest mystery in Physics, Four Walls Eight Windows, New York, 2002.

[BAG-92] Baggot, J.; The meaning of quantum theory, Oxford Univ., Oxford, 1992.

[BEL-90] Bell, J.S.; Lo decible y lo indecible en mecánica cuántica, Alianza Univ., 1990.

[DAV-86] Davies, P.C.W. and Brown, J.R., ed.; The ghost in the atom. A discussion of the mysteries of quantum physics, Cambridge Univ. Press, 1986.

[DEL-90] Deligeorges S., ed.; El mundo cuántico, Alianza Univ., 1990.

[ESP-95] Espagnat, B.D’; Veiled Reality. An analysis of Present-day Quantum Mechanical Concepts, Addison-Wesley, 1995.

[FER-96] Ferrero, M., Fernández-Rañada, A., Sáchez-Gómez, J.L. y Santos, E.; Fundamentos de Física Cuántica. Curso de verano de El Escorial, Complutense, Madrid, 1996.

[FRE-85] French, A.P. and Kennedy, P.J.; Niels Bohr: a centenaryvolume, Harvard Univ. Press, 1985.

[MEH-82] Mehra, J., Rechenberg, H.; The Historical Development of Quantum Mechanics, 6 vol., Springer-Verlag, Nueva York, 1982.

[INV-97] V.V.A.A.;Misterios de la Física Cuántica, Investigación y Ciencia, Temas 10, 1997.

[JAM-74] Jammer, M.; The philosophy of Quantum Mechanics,Wiley, 1974.

[SEL-88] Selleri,F., ed.; Quantum Mechanics Versus Local Realism. The Einstein-Podolsky-Rosen Paradox, Plenum, New York, 1988.

[WHE-83] Wheeler, J.A. y Zurek, W.H., ed.; Quantum Theory and measurement, Princenton Univ., Princenton, 1983.

Referencias

http://www.drchinese.com/David/EPR_Bell_Aspect.htm

http://www.investigacionyciencia.es/noticias/el-teorema-de-bell-cumple-50-aos-12686

http://www.fgbueno.es/bas/pdf/bas11404.pdf

D’Espagnat: “Teoría Cuántica y Realidad”, en Investigación y Ciencia.

http://eric.chopin.pagesperso-orange.fr/epr/aspect.htm

http://www.roxanne.org/epr/experiment.html

P. Grangier, “Count them all“, Nature 409 (2001) 774-775.

A. Aspect, “Bell’s inequality test: more ideal than ever“, Nature 398 (1999) 189-190.

http://en.wikipedia.org/wiki/Bell_test_experiments

 

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