Los sistemas macroscópicos también violan la "causalidad local", como los cuánticos

La mecánica cuántica es la física de los sistemas microscópicos; y es completamente contraria a lo intuitivo.

¿Por qué? Entre otras cosas, porque en mecánica cuántica las magnitudes físicas que se miden jamás tienen valores definitivos. Tan sólo encontramos mayor o menor probabilidad (amplitud de probabilidad) de obtener un valor entre diversos valores posibles.

De esta mayor o menor 'indefinición' se ha deducido que, en ese mundo microscópico, las mediciones interfieren en el sistema. Es por eso que se dice que la mecánica cuántica "distorsiona la noción de realidad", que en el mundo macroscópico está basada en la máxima de que "un estado existe antes de ser medido".

Por si esto fuera poco, de los sistemas cuánticos no podemos determinar simultáneamente con total precisión todas sus magnitudes, pues una medida realizada en un punto del sistema afecta a otros puntos.

Este hecho, también contraintuitivo, ha llevado a introducir el concepto de "no localidad". Por comparación: La física clásica es local, es decir, algo que sucede en un punto sólo afecta a otros que interaccionan localmente con él y va transfiriéndose a otros lugares a una determinada velocidad (siempre igual o menor que la de la luz). 

Pero en mecánica cuántica esto ocurre de forma instantánea, rompiéndose la idea de localidad (¡ojo! esto no contradice el postulado de la relatividad especial de que la información no viaje más rápido que la luz. En las correlaciones cuánticas no se transfiere información y el límite relativista de la velocidad de la luz es respecto a la propagación de información).

Einstein también estaba asombrado

Si esto te resulta chocante, no te extrañes, también lo fue en 1935 para Einstein, Podolsky y Rosen; lo que propició que formulasen una crítica a modo de experimento, que posteriormente se denominó como la paradoja EPR.

En ella cuestionan que la mecánica cuántica no es una teoría completa ya que no da una descripción determinista de la realidad, y por tanto deben existir unas variables ocultas que deben tenerse en cuenta.

Correlaciones de Bell

En 1964, un físico llamado John S. Bell dedujo unas desigualdades matemáticas para verificar la idea propuesta en la paradoja EPR (Teorema de Bell).  Estas desigualdades establecen un requisito que una teoría realista local debería satisfacer. 

Pero Bell vio que las predicciones de la mecánica cuántica eran incompatibles con este requisito  (es decir, violaban las desigualdades de Bell), por lo tanto, que la mecánica cuántica no podía describirse por ningún tipo de teoría local real, ni aún en el caso de que existieran esas variables ocultas que señalaban Einstein y sus colaboradores.

Por tanto, las correlaciones entre partículas que dan lugar a que se violen estas desigualdades se denominan correlaciones de Bell, y son las responsables de la no localidad del sistema. A estas correlaciones también se las denomina correlaciones no locales.

Su existencia implica que no hay una causalidad local, es decir, que las propiedades de una parte del  sistema pueden ser completamente aleatorias, pero al mismo tiempo las medidas hechas en otra parte del sistema influirán en ellas.

Estas correlaciones son una parte básica e importante de la mecánica cuántica y además, actualmente y de cara al futuro, son un recurso clave en las tecnologías cuánticas.

¿Cuántica en el mundo macroscópico?

Dicho todo esto, en el pasado se había demostrado experimentalmente que los sistemas cuánticos de unas pocas partículas exhibían este tipo de comportamiento. 

Sin embargo, quedaba pendiente la detección de estas correlaciones en grandes sistemas, con el fin de ayudar a comprender en sistemas cuánticos de muchos cuerpos cómo conectar las propiedades globales del sistema con las correlaciones cuánticas subyacentes.

En un estudio reciente, se han medido correlaciones entre los espines de alrededor de 480 átomos en un condensado de Bose-Einstein (un estado de la materia en el que el sistema, aunque puede ser macroscópico, es de características puramente cuánticas), de forma que se demuestra que estas correlaciones son experimentalmente accesibles en sistemas de muchos cuerpos.

La detección de estas correlaciones se realiza a través de medidas colectivas del sistema. Para probar su existencia se ha observado la violación de unas desigualdades que juegan un papel equivalente a las desigualdades de Bell.

Si el sistema posee correlaciones de Bell, muestra una estadística que no puede explicarse por una receta que determine los resultados de las medidas de cada átomo independientemente del resto de medidas y del entorno de los otros átomos.

Este estudio implica que en un sistema macroscópico de muchos cuerpos también se puede violar la "causalidad local", de forma que una medida realizada en una parte del sistema puede afectar inmediatamente a otro componente distante del mismo.

Este estado macroscópico correlacionado cuánticamente  puede llevar a comprender mejor las correlaciones de muchos cuerpos fuera del formalismo cuántico, así como a detectar y cuantificar el grado de no localidad de un sistema.

Por otro lado, también puede ser útil como un recurso en teoría de la información cuántica, por ejemplo, en la generación de números completamente aleatorios.

Referencia bibliográfica:

Roman Schmied,  Jean-Daniel Bancal, Baptiste Allard, Matteo Fadel, Valerio Scarani, Philipp Treutlein, Nicolas Sangouard. Bell correlations in a Bose-Einstein condensate. Science (2016). DOI:  10.1126/science.aad8665.