El experimento de Aspect con elección retardada

Montaje experimental de Aspect et al., 1981.
Montaje experimental de Aspect et al., 1981.

El experimento de Aspect con elección retardada

 El experimento de Aspect inicial fue modificado posteriormente con el fin de convertirlo en un experimento de elección retardada, en el que los fotones «no supieran» de antemano el camino óptico que iban a seguir, esto es, por cuál analizador iban a pasar:

 Aspect, A., Dalibard, J. and Roger, G.; «Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers«, Physical Review Letters 49 (1982) 1804-1807.[BAG-92], pp. .

 Montaje:

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Imagen tomada de la URL: http://perso.wanadoo.fr/eric.chopin/epr/aspect.htm, 2013.

-Se incluyen dos dispositivos de disyunción óptico-acústicos, cada uno de los cuales consigue enviar al fotón que lo atraviesa según uno entre dos caminos ópticos diferentes; la activación se consigue mediante ondas ultrasónicas que atraviesan un pequeño volumen de agua. Estas ondas cambian el índice de refracción del agua y, consecuentemente, el camino de la luz; sus frecuencias estaban preparadas para cambiar entre los dos caminos posibles cada 10 ns.

Disyuntor en el experimento de Aspect, 1982 (imagen del artículo original en Phys. Rev. Lett.).
Disyuntor en el experimento de Aspect, 1982 (imagen del artículo original en Phys. Rev. Lett.).

-Al final de cada uno de los dos caminos se encuentra un analizador de polarización, cuya orientación se puede variar independientemente del resto del montaje, y un fotomultiplicador.
-En total, pues, se tienen 4 analizadores, con ejes orientados según 4 direcciones independientes.

  • Dado el montaje descrito, cualquier comunicación entre los dos fotones, referente al modo en que va a ser realizada la medida, se limita al instante en que ésta se realiza: cuando son emitidos los fotones, se desconoce por cuál analizador concreto va a pasar cada uno: las correlaciones exigirían «faster-than-light signalling», poniendo a prueba las teorías de V.O. locales contextuales que pudieran explicar el resultado mediante una «conspiración fotónica» con origen en el instante de emisión.
  • Para simplificar la operativa, sólo se miden fotones transmitidos, (+) (la medida adicional de los reflejados, (-), hubiera requerido el doble de fotomultiplicadores, es decir, 8 de ellos). Existe un teorema de Bell-CHSH específico al respecto: una desigualdad de Bell tipo Clauser-Horne-Shimony-Holt , publicada en 1969 y aplicable a experimentos con sólo resultados de transmisión (+) (véase [BAG-92], pp. 146-147).
  • Ejemplos de resultados, para el conjunto (a=0º, b=22,5º, c=45º, d=67,5º):
    -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}= 2.448
    -valor experimental: E_{CHSH}= 2.404 \pm 0.080

 Se obtiene una violación de la desigualdad CHSH según lo predicho por la M.C.

Modificación adicional al experimento: random switching

 El diseño anterior aplicaba un cambio cíclico que fijaba a qué polarizador se dirigía cada fotón, de manera que podría producirse de nuevo una conspiración fotónica que incorporara ese conocimiento previo. Por ello, el experimento volvió a ser modificado incorporando una toma de decisión aleatoria, encontrándose los siguientes resultados, con de nuevo una violación flagrante de la predicción del realismo local:

Violación de la desigualdad CHSH en el experimento de Aspect con elección retardada (1982).
Violación de la desigualdad CHSH en el experimento de Aspect con elección retardada (1982) (imagen de la Wikipedia, 2013).

A. Aspect presentó su tesis doctoral en la Universidad de París, Orsay, en 1983, siendo los miembros del Tribunal: A. Marechal, Claude Cohen-Tannoudji (luego Premio Nobel de Física), B. d’Espagnat, C. Imbert, F. Laloë y el propio John S. Bell.

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:

A. Aspect,  «Viewpoint: Closing the Door on Einstein and Bohr’s Quantum Debate»:  http://physics.aps.org/articles/v8/123

Divulgando el tema: participar en un experimento desde el ordenador de casa (noviembre 2016): 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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