Enredo, debate Bohr-Einstein, desigualdad de Bell

Question

En el episodio de la BBC Los secretos de la física cuántica (Parte 1) Jim Al-Khalili explica la mecánica cuántica para los profanos. En la primera mitad, hace un trabajo muy bueno; en la segunda mitad, o bien pensaba que sus explicaciones/analogías eran claras pero no lo eran, o bien yo me perdí terriblemente algo. He aquí un resumen de la parte sobre el "entrelazamiento".

Permítanme tratar de explicar esto imaginando que las dos partículas son monedas que giran. Imagina que estas monedas son dos electrones creados a partir de la mismo suceso y que luego se separan el uno del otro. La mecánica cuántica dice que, debido a que son creados juntos, están enredados. Y ahora muchas de sus propiedades están para siempre vinculadas, dondequiera que estén. La interpretación de Copenhague dice que hasta que no se mide uno de los monedas, ninguna de ellas es cara o cruz. De hecho, la cara y la cruz ni siquiera existen. Y aquí es donde el enredo hace que esta extraña situación aún más extraña. Cuando paramos la primera moneda y se convierte en en cara; como las monedas están unidas por el entrelazamiento, la segunda moneda se convertirá simultáneamente en cruz. Y aquí está lo crucial: yo no puedo predecir cuál será el resultado de mi medición, sólo que siempre serán opuestos. Einstein creía que había una interpretación más simple interpretación: Las partículas cuánticas no eran como monedas que giran; eran más como, por ejemplo, un par de guantes, izquierdo y derecho, separados en cajas. No sabemos qué caja contiene qué guante hasta que abrimos una, pero cuando lo hacemos, y encontramos, digamos, un guante derecho, inmediatamente sabemos que la otra caja contiene el guante para zurdos.

[Para comparar estas dos teorías, Jim Al-Khalili diseña un juego de cartas semi-analógico].

El juego de cartas es contra un misterioso crupier cuántico. Las cartas que reparte representan cualquier partícula subatómica, o incluso cuantos de luz, fotones. Y el juego que jugaremos nos dirá finalmente si Einstein o Bohr tenía razón. Ahora, las reglas del juego son engañosamente simples. La banca va a repartir dos cartas boca abajo: Si son del mismo mismo color, gano; si son de diferente color, pierdo.

[Pierde cada juego.]

Sé lo que el distribuidor está haciendo aquí. Claramente, la baraja ha sido amañada de antemano para que cada par saliera de colores opuestos. Pero hay una forma sencilla de pillar al croupier. Así que lo que podemos hacer ahora es cambiar las reglas del juego. Esta vez, si son de colores opuestos color, yo gano.

[Pierde cada juego.]

Ahora no le voy a decir al crupier a qué juego quiero jugar, igual colores gana, o diferentes colores gana, hasta después de que él ha repartido el cartas. Ahora, debido a que nunca puede predecir qué reglas voy a jugar ...nunca puede apilar el mazo correctamente. Ahora no puede ganar... ¿o sí? o puede? Esto llega al corazón de la idea de Bell. Si ahora empezamos a a jugar y gano tanto como pierdo, entonces Einstein tenía razón. El distribuidor es sólo un tramposo con un don de la mano ligera.

[Pierde cada juego.]

Suponiendo que la analogía sea correcta (quién soy yo para juzgarlo), ¿Qué relación tiene el tercer juego de cartas con el debate Einstein-Bohr? En concreto, su conclusión: "Esto llega al corazón de la idea de Bell. Si ahora empezamos a jugar y gano tantos como pierdo, entonces Einstein tenía razón".

Continuando, Jim Al-Khalili realiza un experimento, que supuestamente demuestra que la Ecuación de Bell era correcta. ¿Existe una explicación no técnica de cómo la veracidad de la desigualdad de Bell confirma/aprueba la interpretación de Bohr sobre el "entrelazamiento"?

Answer 1

La desigualdad de Bells no demuestra que Bell o Einstein tengan razón, sólo muestra (matemáticamente) que hay una diferencia (una desigualdad) en los resultados predichos de la Mecánica Cuántica y la Mecánica Clásica incluso antes de realizar un experimento. La mecánica clásica se basa en variables locales ocultas y la mecánica cuántica en la acción fantasmal a distancia, por así decirlo. Por otra parte, el teorema de Bell afirma que ninguna teoría de variables ocultas locales real o física puede reproducir todas las predicciones de la mecánica cuántica. El tercer juego de cartas es una analogía para representar algunos de los experimentos reales en los que se comprueba la correlación de dos partículas enredadas (que son muy difíciles de producir). Dos fotones enredados se disparan en dos detectores distintos, pero en el camino pasan por una rendija que puede colocarse en tres posiciones diferentes a 120 grados de distancia. Los fotones pasarán (Y) o no pasarán (N) por las rendijas. La teoría de Bell era que, independientemente de la posición de las rendijas, sólo habrá ocho resultados diferentes. Dependiendo del fotón y de los ajustes, el fotón puede no pasar (teóricamente) por ninguna de las rendijas NNN o por todas las rendijas YYY. Luego hay otras seis combinaciones de NNY, NYN, NYY, YNY, YYN o YNN. El otro fotón enredado en el otro detector tiene las mismas probabilidades y cuando se comparan los resultados la matemática de Bell afirma que la corelación de coincidencia no será más del 33%. Por otro lado los experimentos de la mecánica cuántica prueban el 25%. Lo siento, puede que me equivoque en la forma en que recuerdo los porcentajes, pero creo que eso es lo básico.

Answer 2

Acabo de ver el vídeo y esto es lo que entiendo.

En primer lugar, el juego de cartas es sólo una analogía, que no es literalmente un fenómeno físico. Una vez entendido esto, podemos pasar a ver cómo cada parte del juego se corresponde con la del debate Bohr-Einstein, el llamado "juego de enredo" EPR.

En el entrelazamiento EPR, hay un par de partículas, correlacionadas entre sí por la interacción inicial. Debido a la naturaleza aleatoria del sistema, cada partícula podría encontrarse en cualquiera de los dos estados: arriba o abajo . Pero los estados de cada par de partículas están totalmente correlacionados. El momento en que la partícula 1 se encuentra arriba la partícula 2 es abajo . A la inversa, la partícula 1 abajo y la partícula 2 arriba .

Debe haber algún modelo subyacente de lo invisible naturaleza para explicar lo observado, es decir, la correlación entre las dos partículas de cada par. El juego de cartas corresponde al experimento para determinar qué modelo podría explicar lo observado. Los dos primeros juegos de cartas corresponden a las dos posibles combinaciones descritas anteriormente, a saber

1. partícula 1 arriba y la partícula 2 abajo
2. partícula 2 abajo y la partícula 1 arriba

Aquí el Jim / dos tarjetas corresponden a la partícula 1 / 2 . El arriba / abajo corresponde a la mismo / diferentes color. El distribuidor corresponde a lo que no se ve naturaleza . En estos dos juegos, lo que se observó podría explicarse fácilmente por la acción inicial de amaño del crupier. Esta explicación corresponde al modelo de Einstein, en el que lo observado había sido dispuesto de antemano por el distribuidor / naturaleza . En el modelo de Bohr, se afirma que el crupier no había amañado la baraja de antemano, la correlación siempre se producía en el momento en que Jim decidía qué elegir (el mismo o diferentes color). Por lo tanto, el tercer juego entró en la obra para comprobar si el repartidor había realmente fijo las tarjetas por adelantado. Si efectivamente lo hubiera hecho, lo que habría demostrado que Einstein tenía razón. Si no, habría demostrado que Bohr tenía razón. Sorprendentemente, Bohr tenía razón, como se muestra en el vídeo. Parecía que el crupier no había fijado las cartas por adelantado. La correlación sólo podía explicarse como si ocurriera en el momento en que Jim decidía qué elegir.

El corazón de toda la analogía del juego dice que, la correlación cuántica es mucho más fuerte que la correlación clásica.

Answer 3

Digamos que las partículas de tu primer párrafo son pares de fotones, una de las opciones que el programa de televisión consideró. Entonces, la cabeza significa que un fotón se polariza en una dirección determinada y la cola en otra. Para medir cada polarización necesitamos dos aparatos llamados analizadores. Uno sondea un fotón y el otro el otro fotón. Así que ahora, en esta analogía del juego de cartas, el color de las cartas es una mezcla tanto de la polarización de los fotones como de la configuración de esos analizadores, creo. Esto hace que sea difícil relacionar con precisión los juegos con el experimento real. Pero creo que puedo entender lo esencial del último juego. Representa experimentos en los que se cambia la configuración de los analizadores mientras los fotones están en vuelo.

Esto se hace para anular la posibilidad de que la baraja estuviera amañada de antemano, ya que ahora el repartidor de cartas no puede predecir las elecciones de los jugadores, exactamente igual que el mecanismo que produce los pares de fotones no puede saber, o como sea que cambien los pares de fotones durante su vuelo, no puede saber cuáles serán las configuraciones de los analizadores cuando lleguen a ellos.

Para responder realmente a tu última pregunta, el juego que se considera en el programa es demasiado confuso, como he señalado anteriormente. El ejemplo de las cajas con guantes con el que empezaron puede ser hilado de una manera más satisfactoria en realidad, y no entiendo por qué no siguieron este curso. Si lo desean, puedo hacerlo más adelante.

Answer 4

La conclusión es que es realmente difícil explicar qué es y qué no es el entrelazamiento cuántico. Pero puedo decirte lo esencial de lo que Bell demostró. Bell demostró que un determinado modelo del mundo físico, un modelo muy general y, cabría pensar, natural, no concuerda con la física cuántica. Así que los experimentadores hicieron la comprobación y resultó que el tipo de modelo discutido por Bell (llamado realismo local) queda descartado, mientras que la física cuántica no queda descartada.

El modelo llamado realismo local dice, básicamente, que cada parte del mundo físico puede considerarse descrita por una información que se encuentra allí donde está esa parte (información como su masa, carga, densidad, dirección de giro, etc.), y que no depende de lo que ocurre en lugares no conectados con el que se discute (para concretar se puede decir lugares separados espacialmente). Este es el modelo que se asume prácticamente en toda la ciencia, excepto en la física cuántica, donde resulta que no es del todo correcto.

Lo difícil es presentar las pruebas de esta conclusión. Eso es lo que intentaba hacer Jim Al-Khalili con sus ejemplos de juegos de cartas. Las cartas representan la idea de información contenida o escrita en el objeto físico (la carta). Repartirlas representa colocar los objetos en diferentes lugares donde ya no interactúan entre sí. Mirarlas representa la observación experimental. Y lo que ocurre, si se elige el experimento con cuidado, es que los resultados no son consistentes con la idea de que la información está impresa en las tarjetas individualmente. Es más bien un caso en el que un par de cartas tiene la propiedad "somos del mismo palo" pero sin que ninguna de ellas tenga un palo propio. Cuando un tercero interactúa con una carta de ese par, no puede evitar interactuar con ellas como un par, aunque estén separadas. Pero esta forma de interacción no equivale a una acción a distancia, porque lo que ocurre es que el tercero participa de la correlación, y ésta sólo puede tener efectos observables cuando se juntan las dos (o más) partes correlacionadas.

Answer 5

Es curioso que la gente siga diciendo "la Interpretación de Copenhague dice tal cosa y eso es muy raro y no tiene sentido". Una cadena tan vergonzosa de malas explicaciones debería hacer que uno se lo pensara dos veces antes de aceptarla como explicación.

No hay NADA en las ecuaciones que diga que la función de onda se colapsa, esa es una idea superflua añadida por físicos confundidos en los años 20 y todavía la estamos dando vueltas. Decoherencia macroscópica es la explicación simple y coherente.

En esta imagen, la analogía del repartidor con las cartas se rompe por completo: no puede traducirse y seguir intacto.

Volviendo a un ejemplo físico real. Supongamos que tenemos dos partículas creadas en un estado enredado. Una está en "spin up" y otra en "spin down" pero no se sabe cuál es cuál. Esto es lo que sucede, la situación inicial es que las siguientes afirmaciones son ambas simultáneamente verdaderas:

1) A es spin-up y B es spin-down.

2) B es spin-up y A es spin-down.

Esta es su superposición de estados. A continuación, se realiza una observación del espín de la partícula A. Las siguientes afirmaciones son entonces simultáneamente verdaderas.

1) A es spin-up y B es spin-down y observas "A es spin-up".

2) B es spin-up y A es spin-down y observas "A es spin-down".

Los estados siguen superpuestos, ¿ves?

Más tarde se observa el espín de la partícula B. Las siguientes afirmaciones son entonces ambas simultáneamente verdaderas.

1) A es spin-up y B es spin-down y se observa "A es spin-up" y se observa "B es spin-down".

2) B es spin-up y A es spin-down y observas "A es spin-down" y observas "B es spin-up".

La función de onda de todo el universo contiene ambos resultados en su totalidad, al menos eso dicen las ecuaciones. Cuando te quejas "pero sólo observo que A es spin-up, no que A es spin-down" lo que estás observando es en qué parte de la función de onda se encuentra "usted" .

El único problema es entender qué significa la palabra "tú" en esta descripción.