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¿Realmente Einstein se equivocó?

Cuando en 1919 las fotografías de un eclipse de sol demostraron que la luz de las estrellas se curvaba al interponer la pesada masa del sol, como había predicho la relatividad general de Einstein, la prensa británica y estadounidense anunció una revolución científica liderada por aquel físico que hoy habría cumplido 138 años. A pesar de que pocos realmente entendían en qué consistía: en EEUU, el diario The New York Times publicaba la noticia señalando que “no más de 12 personas en todo el mundo podrían entenderla”.

Albert Einstein en 1921. Imagen de Wikipedia.

Albert Einstein en 1921. Imagen de Wikipedia.

Por fortuna, hoy no solo son miles los físicos en todo el mundo que entienden a la perfección el trabajo de Albert Einstein y han construido sobre los cimientos que él sentó, sino que además hay también miles de canales por los que cualquier persona interesada sin conocimientos de física puede hacerse con unos conceptos básicos sobre la relatividad especial y la general.

Y sin embargo, los especialistas continúan hoy desgranando la obra de Einstein, desde sus artículos científicos a su correspondencia, para entender y explicar cuál era su visión de la naturaleza, ese objeto del que trata el estudio de la física. No todo está dicho sobre el trabajo de Einstein. Y de hecho, en algún sentido aún no se le ha entendido bien, a decir de algunos expertos.

Uno de los aspectos más discutidos del pensamiento del científico más famoso de todos los tiempos es su relación con la mecánica cuántica, una disciplina que él contribuyó a crear cuando explicó el efecto fotoeléctrico, lo que le valió el Nobel; pero con cuya interpretación mayoritaria siempre mantuvo una seria discrepancia.

En un reportaje publicado hoy con motivo del aniversario he explicado con más detalle en qué consistía la objeción de Einstein hacia la física cuántica. En pocas palabras y según la versión más corriente, el físico pensaba que la dependencia de la cuántica del concepto de probabilidad revelaba en realidad un agujero en la teoría, un territorio en el que debían existir variables ocultas no contempladas por la interpretación manejada por sus contemporáneos y que eran fundamentales para explicar cómo funcionaba la realidad. En resumen, Einstein no pensaba que la cuántica estuviera equivocada, pero sí incompleta.

Un ejemplo estaba en el principio de incertidumbre o de indeterminación de Heisenberg, según el cual no era posible medir la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo, dado que la intervención del observador modifica las propiedades del sistema observado. La física cuántica resultaba extraña en su día, y todavía hoy, porque es diferente a la clásica; esta es determinista, mientras que la cuántica es probabilista. El comportamiento de las cosas grandes, que la experiencia nos hace interpretar como de sentido común, no funciona con lo infinitamente pequeño, y viceversa. Pero Einstein pensaba que algo estaba escapando a los teóricos para poder explicar también el funcionamiento de las cosas pequeñas desde una visión realista.

En 1935, y junto a sus colegas Nathan Rosen y Boris Podolsky, el físico publicaba un artículo bajo un título en forma de pregunta que claramente sugería la respuesta: ¿Puede considerarse completa la descripción mecano-cuántica de la realidad física? En aquel trabajo, los tres científicos planteaban un experimento mental que más tarde se conocería como la Paradoja Einstein-Podolsky-Rosen (EPR).

Suponiendo dos partículas que interaccionan entre ellas antes de separarse y cuya interacción vincula entre sí las propiedades de ambas, sería posible conocer la segunda propiedad de una partícula midiéndola en la otra, ya que una vez separadas no hay posibilidad de que la observación de una influya sobre la otra; a menos, claro, que existiera lo que Einstein denominaba una “truculenta acción a distancia” instantánea; pero no hay nada instantáneo, ya que cualquier posible interacción está limitada por la velocidad de la luz.

La Paradoja EPR fue discutida durante décadas, pero hoy hay una potente corriente entre los físicos que considera probada la “truculenta acción a distancia”, el fenómeno llamado entrelazamiento cuántico (más detalles aquí y aquí). En los últimos años varios experimentos cada vez más finos y blindados parecen demostrar que las predicciones de la cuántica se cumplen, que las partículas se comunican entre ellas a pesar de estar separadas y que, en consecuencia, Einstein acertó al describir un fenómeno, pero se equivocó al creer que tal fenómeno no era posible.

Sin embargo, tal vez no todo es realmente lo que parece, o lo que asume la versión corriente. Hace unos días estuve hablando con Don Howard, profesor de filosofía de la Universidad de Notre Dame (EEUU) especializado en filosofía de la ciencia, y en concreto en el pensamiento de Einstein. Howard me contaba un detalle tal vez poco conocido, y es que en realidad la mayor objeción del alemán a la cuántica no era la ausencia de determinismo; pero es que su mayor objeción no estaba reflejada en el estudio EPR por una razón: “como sabemos por su correspondencia posterior, Einstein de hecho no escribió el EPR, sino que lo hizo Podolsky, y realmente no le gustaba el estudio”.

Según Howard, “en una carta a Schrödinger poco después de la publicación del estudio EPR, Einstein explicaba que el punto principal quedaba enterrado por la erudición o por el excesivo formalismo del estudio”. Para Einstein, el artículo se había centrado en justificar que la cuántica estaba incompleta basándose en la existencia de un caso especial de la realidad física que no tenía cabida en la teoría, pero su verdadera objeción era más profunda y general; la cuántica no era incompleta por no poder explicar algo muy concreto, sino más bien por no poder explicarlo todo en su conjunto.

Einstein veía más bien que la cuántica solo podía explicar la realidad si se prescindía de rasgos esenciales de la realidad tal como es, tal como él la había descrito a través de la relatividad aplicable a las cosas grandes. Podría decirse que los cuánticos describían retratos mediante ecuaciones, pero no narraban el relato de la realidad; por ejemplo, no tenía cabida hablar del pasado de una partícula; no sale en el retrato.

¿Estaba Einstein realmente equivocado? Desde luego, no creía en el entrelazamiento cuántico entre partículas separadas (que los físicos llaman no-localidad). Y para Howard, en esto hoy se habría rendido a las pruebas: “creo que habría cedido, por dolorosa que fuera esa concesión”, dice. “¿Por qué? Porque, como dejó claro en muchas ocasiones, al final es la prueba empírica la que decide las cuestiones sobre la elección de teoría”. Einstein era un realista, y hoy parece cada vez más claro que el entrelazamiento cuántico es real.

Pero según la visión de Howard y otros pensadores sobre cuál era el verdadero sentido de la objeción de Einstein a la cuántica, se entiende que históricamente tal vez un solo árbol, la paradoja EPR, ha tapado todo un bosque. Lo cierto es que hoy los físicos aún continúan batallando por darse la mano uniendo los dos túneles perforados desde ambos extremos, el de la cuántica y el de la relativística. Y está claro que Einstein acertó cuando escribió:

En cualquier caso, en mi opinión, uno debería guardarse de comprometerse dogmáticamente con el esquema de la teoría actual en la búsqueda de una base unificada para la física en su conjunto.

Salvando las distancias en física cuántica (II)

He aquí un motivo por el que algunos físicos aún no creen que los experimentos de entrelazamiento cuántico, como el de Hanson que mencioné ayer, demuestren la acción a distancia entre partículas: las mediciones sobre estas se llevan a cabo solo unos nanosegundos después de que ambas se hayan separado. Esto, sostienen los críticos, podría dar pie a que recuerden esa programación previa, ese guión que ambas estarían interpretando según lo acordado.

Así pues, lo único que un investigador puede hacer es tratar de fijar condiciones experimentales restrictivas en exceso, de una forma que convenza incluso a los más escépticos; como si un mago actuara desnudo para demostrar fehacientemente que no lleva nada escondido en la ropa. Para muchos físicos, la prueba de Hanson llega a este nivel, y por tanto basta para certificar oficialmente el nacimiento de la acción a distancia. Pero no para todos.

Ilustración artística del cuásar ULAS J1120+0641, el más distante conocido hasta ahora. Imagen de ESO/M. Kornmesser vía Wikipedia.

Ilustración artística del cuásar ULAS J1120+0641, el más distante conocido hasta ahora. Imagen de ESO/M. Kornmesser vía Wikipedia.

Con el fin de zanjar el debate, el físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts David Kaiser se propone llevar a cabo lo que considera el experimento definitivo: medir dos fotones procedentes de estrellas distantes del universo, dos partículas que han estado separadas durante miles de millones de años. Es del todo imposible, argumenta Kaiser, creer razonablemente que las partículas puedan mantener ninguna clase de coordinación a través de toda la historia del universo. Si funciona, quienes aún creen que la acción a distancia es magia, ese efecto “spooky” o truculento que decía Einstein, deberán aceptar que se trata de ciencia real.

Sin embargo, Hanson no está de acuerdo en que el experimento de Kaiser vaya a demostrar nada que el suyo no haya probado ya. Otro de los críticos de la acción a distancia, el australiano Michael Hall, aducía que es difícil, incluso en un caso como el de Kaiser, asegurar una total independencia de las mediciones, ya que podría existir un sesgo provocado por algún tipo de correlación que se nos escapa entre los aparatos y aquello que miden, las partículas. “Por ejemplo, no todos los fotones detectados podrían proceder de las fuentes cósmicas a las que apuntan los telescopios; algunos vendrán de luz extraviada”, me escribía Hall en un correo electrónico. Además, proseguía Hall, “debería tener que asumirse que no se ha actuado de ninguna manera sobre los fotones a través de una causa común en el pasado relativamente reciente de los dos detectores utilizados”.

Hanson está de acuerdo en esto último: por mucho que los emisores de las partículas, las estrellas, estén separados en el espacio por miles de millones de años luz, y en el tiempo por miles de millones de años, los detectores no lo van a estar: ambos, y por tanto las partículas al medirlas, estarán aquí, en la Tierra. Con lo cual, razona el físico holandés, y puestos a ponernos escrupulosos, el experimento de Kaiser tampoco descartaría una posible relación causal entre los medidores y los sistemas medidos. “Ningún experimento puede probar que los ajustes de las mediciones fueron elegidos al azar, y ningún experimento puede probar que los ajustes están determinados por la luz estelar de una galaxia distante”, dice Hanson.

Para solventar este inconveniente, Hall apuntaba una propuesta: “Sería interesante tener un experimento en el que los propios detectores estuvieran separados por una gran distancia; la distancia Tierra-Luna sería un buen comienzo, ¡si alguna vez conseguimos llevar astronautas ahí arriba de nuevo! Marte sería aún mejor”. Pero aunque Hall y Hanson coincidan en la objeción a la propuesta de Kaiser, no lo hacen en sus consecuencias. Para el holandés, la conclusión es que es imposible llevar más allá la finura y la pulcritud de los experimentos de acción a distancia, ni siquiera llevando un detector a Marte: “Uno puede hacer el experimento de forma diferente, pero no será mejor que lo que ya hemos hecho; no queda ninguna fisura que pueda cerrarse experimentalmente”.

Lo que subyace a toda esta discusión, opina Hanson, es que algunos de los críticos no están discutiendo posibles deficiencias experimentales, sino la interpretación del propio teorema de Bell, explicado en bruto en mi artículo de ayer y que inspira los experimentos de entrelazamiento cuántico que ponen a prueba la acción a distancia. “Esta es una discusión teórica completamente independiente de nuestro experimento”, precisa Hanson. “Uno puede eliminar cualquiera de los muchos supuestos subyacentes en la derivación de la desigualdad de Bell”. “Pero estoy bastante seguro de que nadie podría diseñar un escenario que los abordara en ningún otro experimento”, prosigue, y concluye: “Nuestro experimento cierra todas las fisuras que pueden cerrarse; el resto no pueden distinguirse experimentalmente, y por tanto son parte intrínseca de las teorías”.

Dicho de otro modo: tal vez algunos físicos jamás acepten ninguna demostración empírica del teorema de Bell porque piensan que es indemostrable, o bien porque en el fondo piensan que es incorrecto. Y tal vez es comprensible que exista un cierto horror vacui, un miedo al vacío que el reconocimiento de la acción a distancia abriría en nuestro entendimiento de la física de la naturaleza y que no sería inmediato rellenar, dado que la actual formulación de la mecánica cuántica impide la posibilidad de su existencia.

Uno de los defensores de la acción a distancia, el estadounidense John Cramer, que está tratando de poner a prueba la comunicación no local entre partículas, me hacía notar que el problema parte del hecho de que esta prohibición no es algo que se haya demostrado, sino que se dio por sentado desde el principio y se integró en la definición de las reglas del juego: “Hay pruebas de que los creadores originales de la actual formulación utilizaron la imposibilidad de la señalización no local como directriz, y la incorporaron en el formalismo”, decía. “Si se hiciera una reformulación más imparcial de la mecánica cuántica eliminando este sesgo intrínseco, podría proporcionarnos una indicación de cómo se podría llevar a efecto la señalización no local”.

En realidad la solución teórica a lo anterior ya podría existir. Algunos físicos han mostrado que ciertas modificaciones a la mecánica cuántica actual (técnicamente se llama no-linealidad) permitirían que la comunicación superluminal –más rápida que la luz– encaje, pero hasta ahora ningún experimento ha demostrado que este enfoque sea válido. Claro que para los partidarios del modelo actual es al revés: dado que la comunicación superluminal no existe, la modificación propuesta no puede ser correcta, y por lo tanto nunca se demostrará. Las apuestas están abiertas.

Salvando las distancias en física cuántica (I)

El entrelazamiento cuántico es uno de los argumentos más palpitantes que se están ventilando hoy en el mundo de la ciencia, quizá lo más parecido a una revolución científica que tenemos ahora en ciernes y a la vista. No por la novedad del problema, pero sí por un cada vez más firme vislumbre de una solución que refuta al gran Einstein, como repasé hace unos días en un reportaje.

¿Acción a distancia? Imagen de Wikipedia.

¿Acción a distancia? Imagen de Wikipedia.

El hecho de que dos partículas cuánticas distanciadas puedan comportarse como un ballet sincronizado a ciegas, aparentemente comunicándose entre ellas por un mecanismo instantáneo, es decir, más rápido que la luz, es un fenómeno que ya hizo a Einstein rascarse su alborotada mata de pelo.

Precisamente porque nada puede, o podía, viajar más aprisa que la luz, el alemán no se lo creía: aquello no era ciencia, sino algo spooky, que viene a significar truculento o siniestro. Al fin y al cabo, precisamente él había construido la relatividad general, demostrando que la gravedad no actuaba a distancia, sino a través de un campo.

Nada puede actuar a distancia, pensaba Einstein, por lo que debía de existir un secreto solo conocido y compartido por las propias partículas, un conjunto de “variables ocultas” desconocidas e inaccesibles para la mecánica cuántica y que funcionaban cuando las partículas estaban juntas antes de separarse, y no a distancia. En otras palabras: las partículas conspiraban entre ellas de manera que ya sabían lo que harían después, sin que hubiera ninguna comunicación. Claro que no es fácil imaginar cómo podrían ponerse de acuerdo previamente para que una dijera “ay” exactamente cuando los investigadores pincharan a la otra; de ahí que fueran variables ocultas.

El de la posible acción a distancia fue uno de los problemas más erizados de la física durante gran parte del siglo XX; al menos, para quienes veían ahí un problema. Claro que a partir de 1964 ya nadie pudo mirar para otro lado: aquel año John Bell demostró que toda posible teoría de variables locales se quedaba corta a la hora de sostener lo que la mecánica cuántica podía hacer. Estas desigualdades comenzaron a convertirse en objeto de experimentación a partir de los años 70, y no han dejado de serlo hasta hoy.

Mientras los experimentos, uno detrás de otro, han ido cimentando la idea de que la acción a distancia parece ser real, no todos los físicos se han dejado convencer con la misma facilidad. El problema reside en que no es fácil demostrar que absolutamente todos los parámetros del experimento se están poniendo a prueba y no se han dado por hecho previamente.

Por poner un ejemplo sencillo, los ensayos clínicos escrupulosamente diseñados requieren un doble ciego: ni los médicos ni los pacientes saben quién está tomando la medicación y a quién se le ha administrado solo un placebo. Pero ¿quién ha hecho la selección? ¿Cómo la ha hecho? ¿Se puede asegurar al cien por cien que la distribución ha sido de verdad aleatoria y que nadie está enterado de qué paciente está tomando qué? ¿O puede haber existido algún sesgo o pequeña trampa, aunque sea involuntaria? Todo el que quisiera ponerse excesivamente tiquismiquis (qué gran palabra) a la hora de criticar un ensayo clínico podría cuestionar si el doble ciego realmente lo fue, o si algo de lo que los investigadores dicen o creen demostrar estaba en realidad ya determinado por las condiciones de partida del estudio.

En el caso de los experimentos sobre las desigualdades de Bell, estos resquicios han sido difíciles de rellenar. Pero para muchos físicos, el reciente estudio dirigido por Ronald Hanson, de la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda), ha terminado por taparlos definitivamente. Hanson separó las partículas por más de un kilómetro y añadió una especie de venda más a los ojos de los aparatos para garantizar que las mediciones no se entendían entre ellas a espaldas de los investigadores, casi blindando la fidelidad de las observaciones.

El resultado, publicado en Nature, ha terminado de convencer a muchos de que nuestro universo, y con él, todo lo que conocemos, emplea de forma intensiva y rutinaria un “truculento” mecanismo de influjo a distancia que nosotros no podemos emplear para comunicarnos, pero sí las partículas subatómicas. ¿Es o no es una revolución? Lo realmente revolucionario no consiste en hacerle un Nelson a Einstein, que sería algo bastante feo e irreverente, sino en cambiar la idea que tenemos sobre cómo funciona la naturaleza.

Sin embargo, el experimento de Hanson aún no ha convencido a todos. Como Hanson se ha ocupado de recalcarme, y con toda la razón, ninguna de las críticas presenta objeción a su diseño experimental ni a sus resultados; todos los físicos a los que consulté los consideran impecables. Pero de cara a su interpretación, hay quienes piensan que aún queda una grieta por tapar antes de asegurar que no queda ninguna posible gotera. La explicación, mañana.

¿Siguen los pájaros caminos azules en el cielo?

Hubo hace unos años una película titulada The core (El núcleo) que contaba cómo la vida en la Tierra sufría riesgo de extinción inminente debido a que el campo magnético terrestre desaparecía a causa de una parada en seco del núcleo líquido del planeta, por lo que un equipo de científicos se encargaba de pilotar una nave construida con un material indestructible y descender hasta el centro de la Tierra para detonar allí una bomba nuclear y restaurar así la rotación del núcleo y el campo magnético, salvando a la humanidad y a todas las criaturas vivas de morir horriblemente carbonizadas por la radiación solar.

He escrito el párrafo anterior de un tirón en una sola frase con el propósito deliberado de eludir la tentación de detenerme a hincarle el diente a tan jugosa propuesta argumental. En su día, con ocasión del estreno de la película, ya circularon suficientes comentarios sobre la presunta ciencia de The core, tan de “venga ya” que incluso en su momento se informó de ciertas protestas de científicos y personajes públicos pidiendo más respeto a las leyes de la ciencia en el cine. A lo que vengo es a uno de los efectos que en la película se asociaban a la anulación del campo magnético terrestre: los pájaros se esmendrellaban contra cualquier obstáculo en su camino por efecto de haber perdido la brújula interna que les sirve de guía.

Dejando aparte el hecho de que los pájaros de la película, además de ser incompetentes navegantes, también debían de ser ciegos –ya he dicho que no entraré más en la trama de The core–, lo cierto es que en este caso se ilustraba correctamente un fenómeno conocido: que las aves, al menos ciertas especies, son sensibles al campo magnético terrestre y que emplean esta capacidad para conducirse en sus largas migraciones de hemisferio a hemisferio del planeta.

Para nosotros, pobres humanos con solo cinco sentidos y en ocasiones con alguno defectuoso –mis seis dioptrías y pico ya me habrían costado la vida hace rato si hubiera nacido en una época anterior a la corrección visual–, resulta difícil imaginar cómo las aves perciben el magnetismo. Podemos describirlo científicamente, pero otra cosa es representárnoslo mentalmente. ¿Ven líneas en el aire, como las que dibujamos en los mapas? ¿Huelen hacia dónde tira el norte, como quien sigue la estela de un perfume? ¿Escuchan de dónde viene el runrún? Evidentemente, no es nada de esto. ¿O tal vez sí?

Ante todo, conviene dejar claro que la llamada “magnetocepción”, o capacidad para sentir campos magnéticos, es un área de investigación aún tan oscura que prácticamente todas las apuestas están abiertas, ya que aún no se ha localizado un órgano claramente responsable de este sentido, tal como los ojos para la vista o el oído para el sonido. Se sabe que ciertos organismos, como algunas bacterias, poseen partículas de magnetita, imanes naturales que también podrían hallarse en el pico de las palomas. Sin embargo, en los últimos años se ha venido manejando una idea fascinante sobre un posible mecanismo que permitiría a los pájaros ver el campo magnético terrestre, y que se basa en un efecto de la mecánica cuántica conocido como entrelazamiento.

Dos partículas cuánticas se encuentran entrelazadas cuando no se comportan de modo independiente, sino que actúan de forma coordinada en alguna de sus propiedades incluso cuando se encuentran separadas. Por ejemplo, supongamos dos electrones entrelazados, e imaginemos que uno de ellos lleva pintada una flecha apuntando hacia arriba y el otro hacia abajo. Con esta simbología se representa una propiedad llamada espín. Mientras ambos electrones se encuentren entrelazados, sus flechas apuntarán en estas direcciones opuestas, como si cada una supiera hacia dónde señala la flecha de la otra. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno bien conocido en el mundo de lo infinitamente pequeño, aunque sea difícil encontrar una comparación en la escala de las cosas grandes. Pero lo que realmente importa no es imaginarlo, sino saber que existe y poder dominarlo con vistas a aplicaciones prometedoras, como la computación cuántica.

Un petirrojo europeo en Holanda. Foto de Arjan Haverkamp / WIkipedia.

Un petirrojo europeo en Holanda. Foto de Arjan Haverkamp / WIkipedia.

En los últimos años se ha descubierto en la retina de algunos pájaros una molécula llamada criptocromo que posee pares de electrones entrelazados. La hipótesis es que cuando un rayo de luz (un fotón) choca con uno de estos pares de electrones, uno de ellos puede absorber esta energía y emplearla para saltar a otra molécula. Dado que los espines son sensibles al magnetismo, la separación entre ambos electrones puede causar que reaccionen de manera ligeramente diferente según su orientación respecto al campo magnético terrestre. Si el bamboleo de los espines los despareja, los electrones quedarán separados y perderán su entrelazamiento. Pero si por el contrario ambos mantienen sus espines opuestos, se combinarán de nuevo recobrando su estado original y devolviendo la energía absorbida del fotón, que se transmitirá al nervio óptico enviando una señal al cerebro.

En resumen, y si esta hipótesis llegara a encontrar suficiente respaldo empírico, se confirmaría que los pájaros literalmente son capaces de ver el campo magnético terrestre con sus ojos. E incluso tendría un color, el azul, ya que es esta longitud de onda la que excita las moléculas de criptocromo. Aunque aún quedan muchos experimentos por delante para asegurar que los pájaros vuelan de norte a sur y de sur a norte siguiendo una especie de carretera azul pintada en el aire, los indicios son muy sugerentes. En mayo de este año, un estudio publicado en Nature descubría que ciertos tipos de emisiones electromagnéticas habituales en la actividad humana, como las de radio de onda media (lo que llamamos AM) o las producidas por las conexiones de los aparatos a la red eléctrica, son capaces de desorientar a los petirrojos europeos, una especie que posee criptocromo en su retina.

El director del estudio, Henrik Mouritsen, de la Universidad de Oldenburg (Alemania), declaró entonces que se trataba de energías tan bajas que difícilmente podían afectar a un proceso de lo que se conoce como física clásica. Y desde luego, ninguno de estos campos electromagnéticos afectaría a un sistema de orientación basado en partículas de magnetita. Mouritsen, en cambio, subrayaba que su efecto sobre los espines de los electrones podía bastar para anular la brújula magnética de los pájaros, en caso de que la hipótesis del entrelazamiento sea correcta. “Nos resulta muy difícil encontrar una explicación que no esté basada en cuántica”, concluía el investigador.

Para terminar, en este blog ya he dejado clara anteriormente mi fascinación por los pájaros. Y dado que hoy sábado 4 y mañana 5 de octubre celebramos el Día Mundial de las Aves, promovido por BirdLife International y en España por SEO/BirdLife, es una buena ocasión para extraer una clara conclusión del estudio de Nature: dado que la interferencia de las ondas que producimos con la brújula migratoria de las aves es un efecto real, quizá habría que empezar a incluir la contaminación electromagnética como uno de los factores a considerar en el impacto ambiental que nuestra actividad humana ejerce sobre las poblaciones de aves.

Inventan el teletransporte certificado, aunque nos servirá de poco

Si las cosas grandes, como nosotros, estamos formadas por átomos, ¿por qué las propiedades de los átomos no iban a ser aplicables a las cosas grandes como nosotros? A lo largo de los años he lanzado esta pregunta a varios físicos. Las respuestas suelen repartirse, en proporciones que no me he preocupado por recoger, entre el “es evidente”, el “no lo sé” y el “ni lo sé ni me importa”. De lo único que estamos seguros, por citar algunas diferencias entre nuestras vidas y las de las partículas cuánticas, es de que nosotros podemos conocer al mismo tiempo nuestra posición y velocidad (basta un GPS), que no podemos estar al mismo tiempo en dos lugares distintos (o dicho de otro modo, que estamos en un lugar con una probabilidad de 1 y en todos los demás con probabilidad cero), que no podemos estar a la vez en dos estados aparentemente incompatibles, como vivos y muertos (al menos hasta que llegue el apocalipsis zombi tantas veces pronosticado), que no podemos comportarnos como ondas (aunque, sin duda, algunas personas son muy modulables), que cuando alguien nos observa no nos colapsamos (solo nos encanta o nos molesta, según el caso), y que para trasladarnos de Chinchilla a Oslo debemos obligatoriamente recorrer todo el trayecto intermedio. O, empleando los términos genialmente descriptivos de la física Caroline Herzenberg, que las cosas grandes somos “nítidas”, mientras que los átomos son “borrosos”. En resumen, las cosas grandes somos esclavas de la mecánica clásica newtoniana, mientras que las partículas gozan de las extrañas ventajas de la mecánica cuántica.

Una de estas últimas es la posibilidad del teletransporte. Cuando este fenómeno se describió por primera vez, a principios de los años 90, el hallazgo no solo inspiró la imaginación de los físicos, sino también la del público en general cuando no había artículo en los medios que comentara la noticia sin referencias a Star Trek. Desde entonces, el teletransporte se ha convertido en algo tan rutinario que ya no levanta la misma expectación, salvo cuando algún físico declara que “nada en las leyes de la física previene el teletransporte de objetos grandes, incluyendo a los humanos”. En estos casos, el teletransporte resurge en la prensa junto al famoso “¡súbeme, Scotty!”. La mala noticia es que tampoco existe ningún principio físico fundamental que excluya la posibilidad de atravesar las paredes, dado que todo montón de átomos está formado en su mayor parte por hueco vacío, y sin embargo no parece probable que el próximo intento vaya a ser más fructífero que todos los anteriores. Lo que me trae a la memoria aquel viejo chiste de un niño que pregunta a su padre, físico teórico, “papá, ¿qué es un caballo?”, a lo que el padre responde: “pues mira, nene, supongamos un caballo totalmente esférico y sin rozamiento…”.

Un bosque de elementos ópticos en el sistema empleado por Hanson. Hanson lab@TUDelft.

Un bosque de elementos ópticos en el sistema empleado por Hanson. Hanson lab@TUDelft.

La última aparición del teletransporte en los medios a la que me refiero en el párrafo anterior es obra del investigador de la Universidad de Tecnología de Delft (Holanda) Ronald Hanson, que acaba de publicar en la revista Science un estudio informando sobre el nuevo hito en la tecnología del teletransporte cuántico: por decirlo llanamente, Hanson y sus colaboradores han inventado el teletransporte certificado. Es decir, un teletransporte con entrega garantizada en el cien por cien de los casos, suponiendo un servicio postal en el que el correo certificado logre tal cosa (y que, de acuerdo a mi experiencia, no se llama Correos y Telégrafos).

Primero, una breve explicación. Las partículas cuánticas se definen por ciertas propiedades como el espín, que puede tomar un rango de valores. El entrelazamiento cuántico permite crear partículas que comparten propiedades aunque estén separadas entre sí por grandes distancias, de modo que, cuando se modifican las propiedades de una de las partículas, su pareja experimenta la misma alteración sin que la información recorra el espacio que las separa. En esto consiste el teletransporte cuántico, una pirueta física que primeramente se logró dentro de los confines de un laboratorio, pero que después logró extenderse a distancias mayores, incluso con más de cien kilómetros de separación entre las partículas entrelazadas. En realidad no son las partículas quienes viajan, sino sus propiedades; de otro modo, se quebrantaría la inquebrantable ley física de que nada viaja más rápido que la luz.

Hasta ahora, el teletransporte cuántico era tan falible que sus posibles aplicaciones futuras se veían seriamente limitadas. “En experimentos previos solo funcionaba una vez de cada mil, o peor”, señala Hanson a Ciencias Mixtas. ¿Quién podría sacar partido a un servicio con semejante nivel de fracaso? En su sistema, que utiliza el diamante como soporte, el equipo de Hanson ha logrado el teletransporte sobre una distancia modesta de tres metros, pero con una fiabilidad del cien por cien. “Nuestro trabajo es el primero en el que el teletransporte entre partes separadas funciona cada vez que lo intentamos”, resume el investigador. “Este carácter determinista es crucial para las aplicaciones”. Próximamente Hanson espera repetir su experimento a distancias superiores a un kilómetro, lo que no solo sería un colosal avance para la física cuántica, sino que refutaría la opinión de Einstein de que tal fenómeno no era posible, con el morbo –y la notoriedad pública para quien lo consiga– que implica refutar a Einstein.

A la izquierda, uno de los dos chips empleados en el experimento de teletransporte (el diamante está en el centro). A la derecha, imagen ampliada del chip de diamante. Los cubits están encerrados en diiminutas cúpulas (la barra representa 10 micras, o 0,01 milímetros). Hanson lab@TUDelft.

A la izquierda, uno de los dos chips empleados en el experimento de teletransporte (el diamante está en el centro). A la derecha, imagen ampliada del chip de diamante. Los cubits están encerrados en diminutas cúpulas (la barra representa 10 micras, 0,01 milímetros). Hanson lab@TUDelft.

Respecto a las aplicaciones a las que Hanson se refiere, atañen principalmente a la computación cuántica. En los ordenadores que conocemos, la unidad mínima de información es un bit, que puede tomar un valor de cero o uno. Gracias a una propiedad llamada superposición, un bit cuántico, o cubit, puede adoptar valores distintos al mismo tiempo, lo que aumenta la versatilidad de los sistemas cuánticos para codificar información y permitiría construir ordenadores ultrarrápidos. Además, dado que el entrelazamiento se destruye al intervenir sobre las partículas, esto aporta una inviolabilidad completa a los sistemas de cifrado basados en cubits. Los más visionarios predicen una internet cuántica del futuro enormemente rápida, inmensamente capaz y cien por cien segura. No sabemos si realmente llegaremos vivos a la fabricación del primer ordenador cuántico, pero al menos la búsqueda de este santo grial, que para Hanson estará en los microchips de diamante, mantiene el impulso de la investigación en información cuántica.

Ahora bien, otra cosa es lo que mantiene el interés de los medios, y por tanto del público, en el teletransporte cuántico. ¿Regresamos a Star Trek? Dado que el teletransporte de información cuántica es una realidad, ¿sería posible destruir a una persona, enviar toda su información a otro lugar y reconstruirla con átomos presentes en el destino? La mala noticia es que, a pesar de lo que se desprende de las palabras de Hanson citadas en algunos medios, la propia nota de prensa emitida por su institución no deja lugar a dudas: “Teletransportar gente a través del espacio, como se hace en Star Trek, es imposible de acuerdo a las leyes de la física”. De hecho, existe un pequeño conjunto de teoremas que excluye las aplicaciones más fantasiosas del entrelazamiento cuántico. Uno de ellos, llamado de no-clonación, afirma que es imposible crear copias exactas de un estado cuántico. Aún peor: el teorema de no-comunicación, que ya he comentado aquí anteriormente, impide emplear el entrelazamiento cuántico como medio de establecer un sistema de comunicación más rápido que la luz, por ejemplo a través de años-luz de distancia, ya que la información necesaria para convertir esta transmisión en algo aprovechable debe viajar a la manera clásica, más despacio que la luz. A la pregunta de si continuamos tan seriamente impedidos por estos teoremas, Hanson no duda: “Absolutamente”.

Siendo así, ¿para qué nos sirve el teletransporte cuántico certificado? Por desgracia, y aparte de lo mencionado sobre la computación del futuro, para nada que hayamos leído o visto en la ciencia-ficción. Cuentan que, en una ocasión, un periodista preguntó al físico israelí Asher Peres, pionero en este campo, si sería posible teletransportar no solo el cuerpo, sino también el alma de una persona. Con genial ironía, Peres respondió: “No, el cuerpo no; solo el alma”. Lamentablemente, tendremos que conformarnos con las aplicaciones más domésticas del teletransporte, como esta.

¿Es posible la comunicación instantánea a través del universo?

O sea, no. ¿O sí? ¿O no? (La solución, al final).

Uno de los problemas con los que se encontrarían los hipotéticos martenautas y otros tripulantes en viajes espaciales de larga duración es que no solamente dejarían atrás a sus seres queridos, para siempre en el caso del aún naciente y no siempre bien ponderado proyecto de asentamiento permanente en Marte Mars One. Es que, además, en un mundo ahora dominado por la comunicación instantánea, ya sea por voz o texto escrito, los marciano-terrícolas ni siquiera podrían mantener una conversación decente con sus parientes de la madre patria. La distancia entre nuestro planeta y la isla más próxima en el océano cósmico varía brutalmente desde los 55 hasta los 400 millones de kilómetros, según, como expliqué en su día, si coincidimos en la misma porción de la pizza de nuestras órbitas o en cortes opuestos. En el mejor de los casos, suponiendo que los mensajes viajan a la velocidad de la luz, una sencilla cuenta nos dice que la comunicación tendría un retraso de como mínimo tres minutos, lo que descarta una conversación natural iniciada con cualquier fórmula de cortesía de las que se empleaban cuando aún existía la cortesía.

La velocidad de la luz es un límite físico. Por tanto, no se puede viajar más aprisa cubriendo la distancia entre ambos planetas. Pero ¿sería posible encontrar un atajo, es decir, no recorrer el trayecto completo? La idea suena aberrante. Pero la física cuántica es un campo donde las reglas de lo intuitivo se rompen para conseguir cosas como, por ejemplo, que un átomo esté intacto y desintegrado al mismo tiempo, o que las partículas puedan teletransportarse, o que una partícula pueda pasar por un aparato sin haber entrado ni salido jamás de él. El mundo cuántico es el País de las Maravillas de Alicia, donde quizá no todo sea posible, pero sí ciertas cosas que nunca creeríamos.

El concepto clave se denomina entrelazamiento cuántico. Consiste en que es posible crear dos (o más) partículas (en concreto, fotones) en lugares separados de modo que, por decirlo llanamente, cada una es la media naranja de la otra: sus estados cuánticos no son independientes sino que están vinculados, correspondiendo en realidad a un solo estado cuántico conjunto. Si se modifican las propiedades de una de las partículas, esto repercute en las de la compañera, ya que se comportan como un sistema unitario. ¿Cómo se produce esto? Einstein lo llamaba “espeluznante acción a distancia”, y es una de las particularidades de ese mundo cuántico donde las leyes de nuestra realidad cotidiana se hacen añicos.

El entrelazamiento cuántico es hoy un intenso campo de investigación por sus múltiples posibles aplicaciones en áreas como la computación cuántica, que reduciría los actuales ordenadores a la categoría de dinosaurios electrónicos. Sin embargo, para que la fotónica, la ciencia que estudia estos avances, llegue a convertirse en tal panacea –si es que alguna vez lo logra– queda un larguísimo camino por cubrir, y en investigación sí que deben recorrerse todas las escalas intermedias del viaje. Uno de los grandes obstáculos para sacar partido al entrelazamiento cuántico es conseguir que funcione más allá de un ámbito local en el que las partículas estén relativamente próximas. ¿Cómo de próximas? Pues relativamente, pero no en sentido coloquial, sino en el físico einsteniano. El genio bigotudo fue quien levantó las tapias que ponen límites de distancia a esta casi mágica sincronía de los fotones. ¿Significa que debemos abandonar toda esperanza de llevar el entrelazamiento cuántico más allá de las paredes del laboratorio? Quizá conviene recordar lo que Sir Isaac Newton escribió acerca de la posibilidad de la acción a distancia, en este caso referida a la gravedad que él mismo formularía: “un absurdo tan grande que no creo que ningún hombre que tenga una facultad competente de pensamiento en materias filosóficas pueda jamás caer en ello”.

Situación de Alice, Bob y Charlie en el experimento de entrelazamiento cuántico realizado en la Universidad de Waterloo.

Situación de Alice, Bob y Charlie en el experimento de entrelazamiento cuántico realizado en la Universidad de Waterloo.

De hecho, la restricción de la localidad ha quedado superada gracias a un experimento publicado recientemente en la revista Nature Photonics. Un equipo internacional de investigadores, dirigido por el Instituto de Computación Cuántica y el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Waterloo (Canadá), ha logrado por primera vez el entrelazamiento cuántico de tres partículas rompiendo la barrera de la localidad. Las ubicaciones de los fotones, que según la nomenclatura clásica en estos experimentos se denominan Alice, Bob y Charlie (mucho mejor que A, B y C), estaban separadas por unos 700 metros. Así, los fotones se generaron en Alice, y dos de ellos fueron respectivamente transmitidos a sendos tráilers en Bob y Charlie, dos lugares del campus de la Universidad.

El logro de los investigadores de Waterloo despeja la pista hacia el futuro de la comunicación cuántica a varias bandas. Según el autor principal del estudio, Chris Erven, “este es el primer experimento en el que ahora puedes imaginar una red de personas conectadas de diferentes maneras usando las correlaciones entre tres o más fotones”.

Pero una vez demostrada esta prueba de principio, si es que lo es, aún habría que superar innumerables obstáculos tecnológicos. Dos ingenieros chinos, Pingyuan Cui y Zhengshi Yu, de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial del Instituto Tecnológico de Pekín, acaban de escribir un estudio, aún sin publicar, en el que proponen un sistema de comunicación cuántica para el espacio profundo. China es una potencia espacial que mantiene el objetivo de enviar misiones tripuladas a destinos interplanetarios en un futuro próximo, por lo que puede tener un especial interés en ofrecer a sus taikonautas (astronautas chinos) la calidez de una comunicación natural con su planeta, algo que a los robots de la NASA y de la Agencia Europea del Espacio (ESA) no debe de preocuparles gran cosa.

Madrid Deep Space Communication Complex, Red del Espacio Profundo, en Robledo de Chavela. ©PromoMadrid, autor Max Alexander.

Madrid Deep Space Communication Complex, Red del Espacio Profundo, en Robledo de Chavela. ©PromoMadrid, autor Max Alexander.

Actualmente, las comunicaciones y el control de navegación de las misiones interplanetarias dependen sobre todo de la llamada Red del Espacio Profundo (DSN, por sus siglas en inglés), gestionada por la NASA y compuesta por tres complejos de antenas situados en Camberra (Australia), Goldstone (California) y Robledo de Chavela (Madrid), ubicaciones que permiten cubrir toda la cintura terrestre. Cui y Yu proponen un nuevo sistema cuántico que ofrezca “comunicación en tiempo real, eficiencia y capacidad de canales”, resume Cui a Ciencias Mixtas. El ingeniero apunta que, en experimentos de teleportación de partículas, “la distancia de la comunicación cuántica en la atmósfera se ha incrementado a más de cien kilómetros“, y que “sin atmósfera en el entrelazamiento, el vacío del espacio profundo puede mejorar la distancia y calidad de las comunicaciones cuánticas”.

Para el caso de Marte, los ingenieros chinos sugieren un complejo de relés integrado por dos satélites, en órbita respectivamente alrededor de la Tierra y el planeta vecino, y una sonda en el espacio profundo; este conjunto de dispositivos pondría en comunicación los sistemas en la superficie de ambos planetas. Sin embargo, Cui reconoce: “todavía no disponemos de la tecnología suficiente para realizar nuestra idea”. “Las cuestiones más urgentes son el entrelazamiento cuántico a distancias muy largas y la implementación de servicios QKD [distribución de claves cuánticas, que garantizan la seguridad de las comunicaciones mediante sistemas criptográficos]”. El ingeniero confía en que los avances en los próximos años superen estos obstáculos: “Con el rápido desarrollo de la física cuántica tanto a nivel teórico como tecnológico, pensamos que estos problemas se resoverán en un futuro cercano”.

Con todo lo anterior, ¿quedamos entonces en que es factible, y que únicamente nos enfrentamos a un reto de ingeniería? Aquí viene la mala noticia: una cosa es que el entrelazamiento cuántico a distancia sea posible, y otra muy diferente que permita la transmisión de información a velocidad superior a la de la luz. Por desgracia, los físicos están de acuerdo en algo llamado Teorema de No-Comunicación. Y, al contrario que otros principios físicos de enrevesadas denominaciones, este es bastante claro en sus intenciones. El teorema viene a expresar que la transmisión de información entre los observadores de ambas partículas entrelazadas es imposible sin que exista al mismo tiempo una comunicación convencional; es decir, lenta. En cuántica el concepto del observador es crucial, ya que su simple contemplación del sistema (técnicamente, una medición) altera el estado de este. Los observadores no saben cuál es el estado de sus partículas (y podríamos decir que, según la física cuántica, ni las propias partículas lo saben) hasta que las observan. Por explicarlo de forma simple, si se observa la partícula en Alice, este acto modificaría la partícula en Bob, pero tal efecto solo podría ser apreciado si el observador de Bob estuviera al tanto de la causa (y la relación causa-efecto nunca viaja más rápido que la luz); en otras palabras, para que el observador de Bob supiera cuándo observar su partícula, tendría que recibir una llamada del observador de Alice. Si esta no se produce, no hay transmisión de información. Y si ambos observadores necesitan comunicarse por la vía clásica, ¿por qué no aprovechar ya y contarse lo que sea?

En resumen: aunque no es lo que más nos complazca, el País de las Maravillas también tiene sus límites. Y hasta ahora no ha habido decreto que pueda enmendar la norma más fundamental de su código de circulación: prohibido viajar más rápido que la luz.

(Una curiosidad: en mi novela Tulipanes de Marte tuve la tentación de incorporar la comunicación cuántica para eliminar la interferencia del retraso. Finalmente preferí no saltarme los principios de la física, lo que, casi de forma casual, me abrió la puerta a la opción de explorar un recurso narrativo mucho más jugoso).