Aprenda de Albert Einstein y la física cuántica en un libro del premio nobel Alain Aspect

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. (Recomendamos: Nobel de Física 2025 a quienes demostraron la física cuántica en acción en un chip).

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 ecuaciones que aún utilizamos para describir el proceso de absorción y emisión de la luz en el que se basa el funcionamiento del láser. Como demuestra la concesión del Premio Nobel de 1922 por su interpretación del efecto fotoeléctrico, el triunfo de las ideas de Einstein en física cuántica llegó a ser completo.

Sin embargo, tras la publicación en 1925 de los formalismos cuánticos desarrollados por un lado por Werner Heisenberg y por otro por Erwin Schrödinger, Einstein se irá alejando de la corriente principal en física cuántica. Estos nuevos formalismos asientan sobre una base sólida los avances de la «teoría cuántica antigua», que describía de forma más o menos empírica las propiedades de los átomos y su interacción con la luz, incomprensibles en el marco de la física clásica. Pero el contacto de estas descripciones tan abstractas con el mundo real, aquel en el que se observan los resultados de los experimentos, conlleva la utilización de probabilidades, como propone en 1926 Max Born, gran amigo de Einstein. Como explico en el capítulo 2, Einstein no acepta la idea de que una teoría física fundamental recurra a la noción de «probabilidad», que, para él, no es más que una herramienta que permite ofrecer una explicación simplificada de situaciones complejas. Este es el sentido de su célebre frase «Dios no juega a los dados»: el azar no tiene cabida al nivel más fundamental. Einstein se enfrentará entonces a la interpretación del formalismo cuántico desarrollada por Bohr y sus discípulos, denominada «interpretación de Copenhague». El debate se concretó con ocasión de los congresos Solvay de 1927 y 1930, en los que, partiendo de experimentos mentales, Einstein trató de demostrar que la teoría cuántica ofrece una descripción incompleta del comportamiento de una sola partícula cuántica.

Una y otra vez, Bohr logró rebatir de manera convincente los argumentos de Einstein. Pero este no se dio por vencido y, como explico en el capítulo 3, presentó en 1935 un nuevo razonamiento en el que no intervenía una sola partícula cuántica sino dos partículas entrelazadas, situación permitida por el formalismo cuántico, pero jamás explorada. Junto con Podolski y Rosen, Einstein publica en Physical Review el artículo que presenta la situación EPR con dos partículas entrelazadas que, incluso estando alejadas la una de la otra, siguen fuertemente correlacionadas, hasta el punto de que solo se puede obtener una imagen razonable de la situación completando el formalismo cuántico.

La respuesta de Bohr, publicada unos meses más tarde en la misma revista, ya no es un razonamiento científico irrebatible, a diferencia de las de los congresos Solvay, sino que es de naturaleza epistemológica; se erige sobre la idea de que no se puede hablar de mediciones que se habrían podido realizar pero no se han hecho. Por su parte, Einstein piensa que los sistemas cuánticos tienen propiedades intrínsecas, independientes de las mediciones que se efectúen sobre ellos, lo que él denomina su realidad física. Además, para el padre de la relatividad esta realidad es local, en el sentido de que no puede verse afectada por influencias que se propaguen más rápido que la luz.

Esta concepción del mundo de Einstein, que se conoce como «realismo local», es radicalmente diferente de la de Bohr. El debate proseguirá hasta el fallecimiento de Einstein (1955) y de Bohr (1962), sin suscitar interés entre la mayoría de los físicos, impresionados por los extraordinarios éxitos de la física cuántica. Parece que muchos de ellos estaban convencidos de que Bohr había respondido de manera concluyente a Einstein, sin entender que el debate sobre las dos partículas entrelazadas de 1935 era de una naturaleza diferente del de 1927, que giraba en torno a una sola partícula.

En el capítulo 4 descubriremos que la situación EPR reaparece de manera inesperada en 1964, con la irrupción en escena de John Bell. Cuando trata de demostrar que es posible completar el formalismo cuántico en consonancia con el realismo local de Einstein, Bell descubre que en realidad existe una incompatibilidad con determinadas predicciones del formalismo cuántico relativas a las partículas entrelazadas. Esta incompatibilidad se expresa por medio de las desigualdades de Bell, que restringen todo formalismo realista local y que son transgredidas por las predicciones cuánticas.

Así pues, el debate se desplazó de una cuestión epistemológica sobre la naturaleza del mundo a una cuestión de física experimental. ¿Las observaciones concuerdan con las predicciones cuánticas, en cuyo caso hay que renunciar a la visión del mundo de Einstein, o, por el contrario, entran en contradicción con las predicciones cuánticas, lo que sería toda una conmoción tras medio siglo de grandes éxitos de esta teoría? No obstante, existe una distancia enorme entre las discusiones entre teóricos y los experimentos reales, y es por este motivo por lo que John Clauser, Michael Horne, Richard Holt y Abner Shimony proponen un esquema que pueda llevarse a la práctica en el laboratorio, como descubriremos en el capítulo 5. Los resultados de los dos primeros experimentos que aplicaron este esquema fueron contradictorios, pero los dos siguientes, publicados en 1976, dieron ventaja a la mecánica cuántica.

Los dos capítulos siguientes describen los experimentos de segunda generación, preparados en el Instituto de Óptica por el equipo que yo había formado con dos ingenieros, Gérard Roger y André Villing, que los llevaron a cabo ayudados por dos brillantes estudiantes de tercer ciclo, Philippe Grangier y Jean Dalibard, cuyas contribuciones a nuestros trabajos permitieron augurar las excepcionales carreras que han desarrollado.

En el capítulo 6, presento los dos primeros experimentos realizados en el Instituto de Óptica, cuya implementación comenzó en 1975 y culminó con éxito en 1981. Su baza principal es una fuente de pares de fotones entrelazados mucho más eficaz que las de nuestros experimentos previos. Esta fuente, cuyo desarrollo llevó cinco años, nos permitió, para empezar, confirmar los resultados de Clauser y su alumno Stuart Freedman, favorables a la mecánica cuántica, en un esquema experimental idéntico a los anteriores.

A continuación, pudimos llevar a la práctica un nuevo esquema más parecido al esquema ideal sobre el que razonan los teóricos. El resultado obtenido, de una precisión inaudita, demuestra que disponemos de un montaje experimental suficientemente potente como para permitirnos realizar el experimento que yo había imaginado desde el principio: poner a prueba las desigualdades de Bell modificando con rapidez la configuración de los aparatos de medida. En el capítulo 7, me detendré en este tercer experimento, realizado y publicado en 1982, que puso de manifiesto lo que se conoce como la «no localidad cuántica» y que me hizo merecedor de compartir el Premio Nobel de Física en 2022.

El capítulo 8 estará dedicado a los trabajos posteriores. Empezaré por presentar los experimentos conocidos como «sin escapatoria», que buscan corregir distintas insuficiencias de los esquemas anteriores. A continuación, extraeré varias consecuencias de la representación del mundo que nos proporciona la física cuántica. Como me parece inevitable renunciar a la visión realista local de Einstein, intentaré responder a la pregunta implícita en el título del libro: ¿cómo habría reaccionado Einstein frente a los resultados experimentales?

Sería presuntuoso querer llegar a alguna conclusión de la que no quepa dudar, pero me gusta pensar que quizá, como John Bell y yo mismo, habría aceptado la idea de la no localidad cuántica. También señalaré cómo, al poner de relieve el carácter radicalmente nuevo del entrelazamiento cuántico, estos experimentos han dado lugar a una extraordinaria proliferación de propuestas de nuevas tecnologías cuánticas, en el centro de la segunda revolución cuántica. Me detendré en aquellas que son comprensibles intuitivamente apelando a la no localidad cuántica.

Por último, en el epílogo volveré sobre la relación entre ciencia fundamental y aplicaciones, que constituye la esencia de mi pasión por las ciencias y las técnicas. Este interés por las tecnologías, que animaba al joven colegial de Astaffort y lector de Jules de Verne que era, me ha vuelto a atrapar en los últimos años a raíz de mi participación en algunas empresas emergentes del sector de la cuántica, tras haber dedicado mi vida principalmente a la investigación fundamental.

Este libro está escrito, sobre todo, para un público profano que desea saber un poco más sobre la manera en que la física cuántica cambia nuestra visión del mundo.

* Se publica con autorización de Penguin Random House Grupo Editorial. Alain Aspect (Agen, Francia, 1947) es un físico experimental francés reconocido por sus contribuciones decisivas al campo de la mecánica cuántica, en especial al estudio del entrelazamiento cuántico. Su trayectoria científica culminó con la obtención del Premio Nobel de Física en 2022, compartido con John Clauser y Anton Zeilinger, por experimentos fundamentales que pusieron a prueba las desigualdades de Bell y corroboraron las predicciones de la mecánica cuántica sobre sistemas entrelazados. Formado en la École normale supérieure de Cachan, realizó un voluntariado en Camerún en 1971, durante el cual profundizó en la lectura de obras clave como Mecánica cuántica de Cohen-Tannoudji, Diu y Laloe. Inspirado por un artículo de John Bell, Aspect orientó su carrera hacia la verificación experimental de los límites entre la física clásica y la cuántica. Obtuvo su doctorado en la Universidad de París (Orsay) en 1983, presentando una tesis evaluada por destacados físicos, entre ellos Claude Cohen-Tannoudji y el propio John Bell. En los años ochenta, desarrolló experimentos innovadores que subsanaron deficiencias metodológicas de pruebas anteriores y lograron demostrar con rigor la validez del entrelazamiento cuántico, empleando haces de fotones entrelazados generados mediante radiación en cascada del calcio. Estos trabajos marcaron un antes y un después en la comprensión de la no localidad cuántica. Aspect ha sabido conjugar una rigurosa actividad experimental con una profunda inquietud filosófica por la naturaleza de la realidad, aportando claridad científica a cuestiones que fueron objeto de controversia entre figuras como Einstein y Bohr.