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jueves, 29 de junio de 2023
“No puedes demostrar que la Luna está ahí cuando nadie mira”-Particle, wave, both or neither? The experiment that challenges all we know about reality Thomas Young’s double-slit experiment originally served to prove that light is a wave — but later quantum versions have made for a much fuzzier picture.
"En Física siempre hemos hecho grandes
progresos sin responder la pregunta de qué es la realidad. Solo
respondemos a la cuestión de qué se puede medir y cómo podemos observar
algo. Podemos observar la realidad, podemos hacer mediciones, pero creo
que no podemos decir nada sobre la esencia de la realidad".
“No puedes demostrar que la Luna está ahí cuando nadie mira”
Anton Zeilinger, Nobel de Física
El científico austriaco, pionero del teletransporte cuántico, reflexiona sobre Dios y la esencia de la realidad
R. Lo importante es que para demostrar que la Luna
está ahí tienes que mirarla. Si no la miras, solo puedes recurrir a tu
experiencia y a tu lógica para decir que está ahí. Pero, con las
partículas cuánticas, tú no puedes decir que el sistema está ahí si
nadie mira. Einstein preguntó: “¿De verdad crees que la Luna no está ahí
cuando nadie mira?”. Y [el físico danés Niels] Bohr respondió: “¿Puedes
demostrar lo contrario? ¿Puedes demostrar que la Luna está ahí cuando
nadie mira?”. Y no, no puedes.
P. Niels Bohr
afirmó: “Es un error pensar que la tarea de la física consiste en
averiguar cómo es la naturaleza. La física se ocupa de lo que podemos decir sobre la naturaleza”.
R.
Yo iría un paso más allá y diría: Lo que se puede decir sobre la
naturaleza, en principio, también define lo que puede existir. Así que
nada puede existir sin la posibilidad de decir algo sobre ello.
P. ¿Qué es la realidad entonces?
R.
En física siempre hemos hecho grandes progresos sin responder la
pregunta de qué es esto. Solo respondemos a la cuestión de qué se puede
medir y cómo podemos observar algo. Podemos observar la realidad,
podemos hacer mediciones, pero creo que no podemos decir nada sobre la
esencia de la realidad.
P. ¿Usted es cristiano?
R. Sí,
me crie en el catolicismo, pero mi madre era protestante, así que
aprendí de los dos. A veces iba a la iglesia protestante con mi madre y a
veces a misa católica con mi padre. Era interesante.
P. Cuando observa este mundo de partículas haciendo cosas loquísimas, ¿cómo encaja esa locura con la idea de un Dios organizado?
R. El teólogo y filósofo jesuita Karl Rahner dijo: “El cristiano del futuro será un místico
o no será”. Yo estoy de acuerdo. No se puede decir que Dios es
organizado o es así o asá. Dios no está sujeto a nuestras definiciones.
P. Quizá Dios tampoco existe sin la mirada del observador.
R. Es un tipo de observación diferente: no es con los ojos, es una observación con el alma.
Tendremos ordenadores cuánticos en el teléfono móvil dentro de 50 o 100 años
P. Tras su experimento en Canarias
afirmó que el teletransporte de información “desempeña un papel vital
en la visión de una internet cuántica global, ya que proporciona una
comunicación segura sin restricciones [...] y un aumento exponencial de
la velocidad de computación”. ¿Cuándo veremos esas promesas?
R.
Buena pregunta. Respecto a cuándo tendremos computación cuántica
completa, no lo sabemos. De hecho, hoy sería más cauto con mis
afirmaciones, porque el reto es enorme. En pequeños sistemas de
computación cuántica hay mucho trabajo en marcha, pero para los grandes
ordenadores aún queda mucho por hacer.
Anton Zeilinger fotografiado en Valencia, el 5 de junio. Mònica Torres
El sentido común es inútil en el mundo de lo extremadamente
diminuto, allí donde rigen las normas de la mecánica cuántica. Una de
las diferencias más asombrosas es que dos partículas —como dos fotones
de luz— pueden estar entrelazadas, de tal manera que lo que le ocurra a
una de ellas determinará lo que le pase a la otra, aunque estén muy
alejadas. Es lo que Einstein, escéptico, denominó “una fantasmagórica
acción a distancia”. El físico Anton Zeilinger,
nacido en la pequeña localidad austriaca de Ried im Innkreis hace 78
años, lleva un cuarto de siglo demostrando que las predicciones más
absurdas de la física cuántica son correctas. Hace poco más de una
década, su equipo logró teletransportar un estado cuántico entre dos
fotones de luz entrelazados. Uno estaba en la isla canaria de La Palma y
otro, en Tenerife. Había 143 kilómetros entre ellos.
Zeilinger, de la Universidad de Viena, ganó el Nobel de Física de 2022
por teletransportar información y allanar el camino hacia los
ordenadores cuánticos, exponencialmente más rápidos y más seguros. El
físico austriaco responde a las preguntas de EL PAÍS con un café con
leche y mirando al mar Mediterráneo, en la terraza de un hotel de
Valencia, durante una pausa en su actividad como jurado de los Premios
Rey Jaime I.
Pregunta. Usted escuchó hablar por primera vez del entrelazamiento cuántico en una conferencia en 1976. ¿Qué pensó?
Respuesta. No entendí nada. Solo comprendí que debía ser interesante.
P. ¿Cómo explica qué es el entrelazamiento a la gente sin conocimientos previos?
R. Nadie
carece por completo de conocimientos previos. El entrelazamiento de dos
partículas es como si tienes un par de dados. En un dado sale el tres y
en el otro también sale el tres. Si en un dado sale el seis, en el otro
también aparece el seis. Y siempre sale el mismo número en los dos
dados.
R.
Creo que Dios pone los números para que creamos que juega a los dados,
pero no juega a los dados. Dios dice: ahora es tres, ahora es dos, ahora
es seis. Y nosotros creemos que Dios juega a los dados.
R. Quizá lo sabe. O quizá no. Nosotros no podemos saberlo.
P. ¿Utiliza a Dios como una metáfora o cree en Dios?
R. Sí, creo. ¿Por qué no creer? El célebre Isaac Newton publicó libros sobre muchos temas, pero escribió mucho más sobre religión que sobre física. Era una persona religiosa.
Podemos observar la realidad, podemos hacer mediciones, pero no podemos decir nada sobre la esencia de la realidad
P.
Dos partículas entrelazadas se pueden imaginar como dos hermanos
gemelos que se comportan de manera similar a distancia porque comparten
el mismo ADN, pero no es así como funciona.
R. En el entrelazamiento, los dos hermanos cuánticos se comportan igual, pero sin ADN.
P. Es más que contraintuitivo. Es una locura.
R. Es una locura, sí.
P. Einstein definió el entrelazamiento como “una fantasmagórica acción a distancia”. ¿Le parece fantasmagórica?
R. Einstein utilizó la palabra alemana geisterhaft,
que significa algo así como espiritual. Es un fenómeno fantasmagórico
si pretendes explicarlo con las normas habituales. Pero en la física
cuántica sabes cómo funciona.
P. En su conferencia del Nobel proyectó una pregunta
en la pantalla: “¿Está ahí la Luna cuando nadie la mira?”. ¿Usted qué
responde?
R. Lo importante es que para demostrar
que la Luna está ahí tienes que mirarla. Si no la miras, solo puedes
recurrir a tu experiencia y a tu lógica para decir que está ahí. Pero,
con las partículas cuánticas, tú no puedes decir que el sistema está ahí
si nadie mira. Einstein preguntó: “¿De verdad crees que la Luna no está
ahí cuando nadie mira?”. Y [el físico danés Niels] Bohr respondió:
“¿Puedes demostrar lo contrario? ¿Puedes demostrar que la Luna está ahí
cuando nadie mira?”. Y no, no puedes.
P. Niels
Bohr afirmó: “Es un error pensar que la tarea de la física consiste en
averiguar cómo es la naturaleza. La física se ocupa de lo que podemos decir sobre la naturaleza”.
R.
Yo iría un paso más allá y diría: Lo que se puede decir sobre la
naturaleza, en principio, también define lo que puede existir. Así que
nada puede existir sin la posibilidad de decir algo sobre ello.
P. ¿Qué es la realidad entonces?
R.
En física siempre hemos hecho grandes progresos sin responder la
pregunta de qué es esto. Solo respondemos a la cuestión de qué se puede
medir y cómo podemos observar algo. Podemos observar la realidad,
podemos hacer mediciones, pero creo que no podemos decir nada sobre la
esencia de la realidad.
P. ¿Usted es cristiano?
R. Sí,
me crie en el catolicismo, pero mi madre era protestante, así que
aprendí de los dos. A veces iba a la iglesia protestante con mi madre y a
veces a misa católica con mi padre. Era interesante.
P. Cuando observa este mundo de partículas haciendo cosas loquísimas, ¿cómo encaja esa locura con la idea de un Dios organizado?
R. El teólogo y filósofo jesuita Karl Rahner dijo: “El cristiano del futuro será un místico
o no será”. Yo estoy de acuerdo. No se puede decir que Dios es
organizado o es así o asá. Dios no está sujeto a nuestras definiciones.
P. Quizá Dios tampoco existe sin la mirada del observador.
R. Es un tipo de observación diferente: no es con los ojos, es una observación con el alma.
Tendremos ordenadores cuánticos en el teléfono móvil dentro de 50 o 100 años
P. Tras su experimento en Canarias
afirmó que el teletransporte de información “desempeña un papel vital
en la visión de una internet cuántica global, ya que proporciona una
comunicación segura sin restricciones [...] y un aumento exponencial de
la velocidad de computación”. ¿Cuándo veremos esas promesas?
R.
Buena pregunta. Respecto a cuándo tendremos computación cuántica
completa, no lo sabemos. De hecho, hoy sería más cauto con mis
afirmaciones, porque el reto es enorme. En pequeños sistemas de
computación cuántica hay mucho trabajo en marcha, pero para los grandes
ordenadores aún queda mucho por hacer.
R.
Tienen un ordenador cuántico, pero es pequeño y solo se puede utilizar
para problemas muy especializados, no para problemas más generales. Para
tener una computadora cuántica completa necesitas unos 1.000 bits
cuánticos. Y ahora estamos hablando de sistemas con 30 o 50 bits
cuánticos.
P. Usted pronosticó en una entrevista en 2010 que en 15 o 20 años tendríamos un ordenador cuántico interesante.
R. Hoy hago el mismo pronóstico [risas]. Es imposible hablar a 20 años vista.
P. También dijo, quizá con ánimo provocativo, que en el futuro tendremos ordenadores cuánticos en el teléfono móvil.
R.
Eso será en 50 o 100 años. No lo dije para provocar, sino como desafío.
Cuando se construyeron las primeras computadoras, eran enormes,
ocupaban una habitación entera. Y entonces nadie pensaba que podías
tenerla en un teléfono móvil.
Particle, wave, both or neither? The experiment that challenges all we know about reality
Thomas Young’s double-slit experiment originally
served to prove that light is a wave — but later quantum versions have
made for a much fuzzier picture.
Thomas Young, born 250 years ago this week, was a polymath who made seminal contributions in fields from physics to Egyptology.
But perhaps his most enduring legacy is proving Isaac Newton wrong
about light — and igniting a debate about the nature of reality that
still persists.
“The experiments I am about to relate”, he told the Royal Society of London1
on 24 November 1803, “may be repeated with great ease, whenever the sun
shines.” In a simple, modern form, Young’s ‘double-slit’ experiment
involves shining light of a single frequency (say, from a red laser)
through two fine, parallel openings in an opaque sheet, onto a screen
beyond. If light were made of streams of particles, as Newton
conjectured, you would expect to see two distinct strips of light on the
screen, where the particles pile up after travelling through one slit
or the other. But that’s not what happens. Instead, you see many bands
of light and dark, strung out in stripes like a barcode: an interference
pattern (see ‘Wave–particle weirdness’).
Interference is possible only if light behaves as a wave
that strikes both slits at once and diffracts through each, creating two
sets of waves on the other side of the slits that propagate towards the
screen. Where the crest of one wave overlaps with the crest of the
other, you get constructive interference and a patch of light. Where a
crest meets a trough, you get destructive interference and darkness.
It’s
hard to overstate how wild this discovery was to physicists in Young’s
time. But the wildness truly began when Max Planck and Albert Einstein
laid the foundations for quantum mechanics in the early twentieth
century. Today, quantum mechanics forms a peerlessly accurate framework
to explain the basic elements of material reality and their
interactions. Pretty early on, it became clear that it implied that
light is made of indivisible units of energy called photons — particles,
in fact. The amount of energy each carried was proportional to the
frequency of the light. Some carry enough of a wallop to knock electrons
off atoms of metal, giving us the photoelectric effect that enables
today’s solar cells. (It was the study of this effect that led Einstein
to his conclusions about light’s particulate nature.)
With the
emergence of quantum mechanics, the idea of light as a wave faced a
challenge. But it wasn’t as simple as going back to the particle view.
Further tests of quantum theory using the double-slit experiment only
deepened the mystery. And it hasn’t been solved yet.
Singularly quantum
Imagine,
now, that your light source can shoot individual photons of red light
at the two slits, while guaranteeing that only one photon goes through
the apparatus at any time. A photographic plate on the other side
records where the photons land. Classical intuition says each photon can
go through only one slit or the other. So, this time, we should see
photons accumulating over time and forming two strips of light on the
photographic plate. Yet the mathematics of quantum theory implied that
the interference pattern would persist.
It was several decades
before the technology matured enough to verify these predictions
experimentally, using more complex set-ups that were in principle the
double-slit. At first, it wasn’t done with photons, but with electrons —
entities that we know as particles, but that quantum mechanics predicts
act as waves, too. Then, in the 1980s, a team led by Alain Aspect at
the Optical Institute in Palaiseau, France, performed the double-slit
experiment with single photons2. Quantum theory won out: an interference pattern emerged, even when only single particles passed through the slits.
Aspect won a share of the 2022 Nobel prize in physics for
his contribution to confirming the predictions of quantum mechanics
through experiment. But such experiments leave matters of interpretation
wide open. There is simply no way to comprehend what’s happening with
minds attuned to the classical world of everyday objects.
When it
comes to the double-slit experiment, quantum mechanics does tell a form
of story. It says that a photon’s position is described by a
mathematical abstraction called the wavefunction — which, as the name
suggests, behaves like a wave. This wavefunction, mathematically
speaking, hits the two slits, diffracts into two sets of waves and
recombines to create the interference pattern. The value of the
wavefunction at any location on the photographic plate lets you
calculate the probability of finding the photon there. The probability
is very high in regions of constructive interference, and very low in
regions of destructive interference.
In a sense, then, a photon or
any other quantum object acts like both a particle and a wave. This
‘wave–particle duality’ embodies many of the central conceptual
mysteries of quantum mechanics that are unresolved to this day. Even if
you could know everything about a photon’s initial state, there’s no way
to tell exactly where it’ll land on the detector. You have to talk in
terms of probabilities given by the wavefunction. These probabilities
are borne out only when thousands or tens of thousands of photons are
sent through the double slit, one by one.
Before the measurement —
in this case, detection by the photographic plate — the mathematics
says the particle exists in a superposition of states: in a sense, it
has taken both paths, through the right slit and the left. Standard
quantum mechanics says that the wavefunction ‘collapses’ when measured,
and that the act of observation in some way precipitates that collapse.
Before this, the photon has a finite probability of being found in many
different regions, but on measurement, the wavefunction peaks at the
location in which the photon appears (the probability there equals 1)
and is nullified everywhere else (probability equals 0).
It gets
even odder. If you can determine which path the photon took on its way
to the detector, it acts like a particle that does indeed go through one
slit or the other: the interference pattern disappears. But if you
cannot glean this ‘which-way’ information, the photon acts like a wave.
Whenever there are two or more ways for a photon — or, indeed, any
quantum object — to get to a final state, quantum interference occurs.
What’s a wavefunction?
But
to generate interference, something has to go through — or at least
interact in some way with — both slits. In the mathematics, the
wavefunction does the job. Some physicists would say that the
wavefunction simply represents information about the quantum system and
is not real — in which case it’s hard to explain what interacts with
both slits at once. But you can explain the interference pattern if you
consider the wavefunction to be real.
This creates its own
problems. Imagine a real wavefunction that spreads for kilometres and
kilometres before an observer detects the photon. At this point, the
wavefunction peaks at the photon’s location, and simultaneously drops to
zero everywhere else — over a large, macroscopic distance. This
suggests a kind of instantaneous, non-local influence that bothered
Einstein no end. One can avoid this with interpretations of quantum
theory that don’t collapse the wavefunction, but that opens other cans
of worms.
Thomas Young reported the results of the original double-slit experiment in the early nineteenth century.Credit: Photo Researchers/SPL
Perhaps the most notorious is the many-worlds
interpretation, the brainchild of US physicist Hugh Everett in the
1950s. This argues that every possible event — in the case of the double
slit, a particle going through the left and the right slit — happens,
each in its own world. There is no collapse: measurement simply reveals
the state of the quantum system in that world. Detractors ask how it’s
possible to justify this constant proliferation of worlds, and how, in a
many-worlds framework, you can explain why measuring quantum systems
yields probabilities, given that there are always definite outcomes in
each world.
The de Broglie–Bohm theory, named after quantum
pioneers Louis de Broglie and David Bohm, provides another alternative.
It says that particles exist with definite positions and momenta, but
are guided by an all-encompassing, invisible ‘pilot’ wave, and it’s this
wave that goes through both slits. The most profound implication of
this theory, that everything is linked to everything else in the
Universe by the underlying pilot wave, is one many physicists have
trouble accepting.
In the 1970s and 1980s, physicists upgraded the
double-slit experiment to seek clarity about the nature of quantum
reality, and the perplexing role observation apparently has in
collapsing a defined, classical reality out of it. Most notably, John
Wheeler at the University of Texas at Austin designed the ‘delayed
choice’ thought experiment3.
Imagine a double-slit set-up that gives the option of gathering or
ignoring information about which way the particle went. If you ignore
the ‘which-way’ information, you get wave-like behaviour; if you don’t,
you get particle-like patterns.
With the apparatus on the ‘collect which-way information’
setting, send a photon through the double slits. It should act like a
particle and go through one slit or the other. But just before the
photon lands on the detector, flip the apparatus to ignore the which-way
information. Will the photon, until then supposedly a particle,
suddenly switch to being a wave?
Decades later, Aspect’s team performed this experiment with single photons and showed that the answer is yes4.
Even if the photon had ostensibly travelled through the entire set-up
as a particle, switching the apparatus setting so that it ignored
which-way information caused it to act like a wave. Did the photon
travel back in time and come back through the two slits as a wave? To
avoid such nonsensical explanations, Wheeler argued that the only way to
make sense of the experiment was to say that the photon has no reality —
it’s neither wave nor particle — until it’s detected.
Back in the
1980s, Marlan Scully, then at the University of New Mexico in
Albuquerque, and his colleagues came up with a similarly befuddling
thought experiment5.
They imagined collecting the which-way information about a photon by
using a second photon ‘entangled’ with the first — a situation in which
measuring the quantum state of one tells you about the quantum state of
the other. As long as the which-way information can in principle be
extracted, the first photon should act like a particle. But if you erase
the information in the entangled partner, the mathematics showed, the
first photon goes back to behaving like a wave. In 2000, Scully, Yoon-Ho
Kim and their colleagues reported performing this experiment6. Surprisingly — or unsurprisingly, by this stage — intuition was once again defeated and quantum weirdness reigned supreme.
Larger and still larger
Others
are still pushing the double slit in new directions. This year, Romain
Tirole at Imperial College London and his colleagues described an
experiment in which the slits were temporal: one slit was open at one
point in time and the second slit an instant later7.
A beam of light that goes through these temporal slits produces an
interference pattern in its frequency spectrum. Again, the mathematics
predicts exactly this behaviour, so physicists aren’t surprised. But it
is more proof that the double-slit experiment highlights the lacunae in
our understanding of reality, a quarter of a millennium after the birth
of the man who devised it.
The double-slit experiment’s place in
the pantheon of physics experiments is assured. But it would be further
cemented if and when physicists using it were able to work out which
theory of the quantum world is correct.
For example, some theories
posit that quantum systems that grow bigger than a certain,
as-yet-undetermined size randomly collapse into classical systems, with
no observer needed. This would explain why macroscopic objects around us
don’t obviously work according to quantum rules — but how big does
something have to be before it stops acting in a quantum way?
In
2019, Markus Arndt and Yaakov Fein at the University of Vienna and their
colleagues reported sending macromolecules called oligoporphyrins,
composed of up to 2,000 atoms, through a double slit to see whether they
produce an interference pattern8.
They do, and these patterns can be explained only as a quantum
phenomenon. Arndt’s team and others continue to push such experiments to
determine whether a line exists between the quantum and the classical
world.
Last year, Siddhant Das at the Ludwig Maximilian University
of Munich, Germany, and his colleagues analysed the double-slit
experiment in the context of the de Broglie–Bohm theory9.
Unlike standard quantum mechanics, this predicts not just the
distribution of particles on the screen that leads to the spatial
interference pattern, but also the distribution of when the particles
arrive at the screen. The researchers found that their calculations on
the distribution of arrival times agreed qualitatively with observations
made two decades before, in a double-slit experiment using helium atoms10.
But it was difficult to prove their case definitively. They are
awaiting better data from a similar double-slit experiment done with
current technology, to see whether it matches predictions.
And so
it goes on, a world away from anything Young or his peers at the Royal
Society could have conceived of more than two centuries ago. “Thomas
Young would probably scratch his head if he could see the status of
today’s experiments,” says Arndt. But that’s because his experiment, so
simple in concept, has left us scratching our heads to this day.
Nature618, 454-456 (2023)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01938-6
Updates & Corrections
Correction 20 June 2023:
An earlier version of the second picture caption gave the wrong date
for when Young reported results of a double-slit experiment.
Miller, W. A. & Wheeler, J. A. Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technology (Eds Nakajima, S., Murayama, Y. & Tonomura, A.) 72–84 (World Scientific, 1997).
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