Teorema de Bell para niños
El teorema de Bell, también conocido como las desigualdades de Bell, es una idea muy importante en la mecánica cuántica, que es la parte de la física que estudia cómo se comportan las partículas más pequeñas del universo. Este teorema fue propuesto por el científico norirlandés John S. Bell en 1964.
El teorema de Bell nos ayuda a entender que las predicciones de la mecánica cuántica son muy diferentes de lo que nuestra intuición nos dice sobre cómo funciona el mundo. Es como si el universo a nivel muy pequeño tuviera reglas secretas que no podemos ver fácilmente.
Una de las ideas principales del teorema de Bell es que:
Ninguna teoría física que diga que las partículas tienen "variables ocultas locales" puede explicar todas las predicciones de la mecánica cuántica.
¿Qué significa esto? Significa que si pensamos que las partículas tienen información secreta (variables ocultas) que determina su comportamiento, y que esta información solo afecta a lo que está cerca (local), entonces esa idea no puede explicar todo lo que la mecánica cuántica predice. Esto llevó a la conclusión de que el mundo cuántico puede tener una propiedad llamada "no localidad", lo que significa que las cosas pueden influirse mutuamente de forma instantánea, incluso a grandes distancias. Este descubrimiento es considerado uno de los más profundos en la historia de la ciencia.
Contenido
¿Qué es el teorema de Bell?
El teorema de Bell se basa en un experimento mental similar a uno propuesto por Albert Einstein y sus colegas. Imagina una máquina que crea pares de partículas que están "entrelazadas". Esto significa que están conectadas de una manera muy especial.
El experimento de las partículas entrelazadas
En este experimento, una partícula se envía a una persona llamada Alicia y la otra a otra persona llamada Bob. Cada uno de ellos mide una propiedad de su partícula, como su "espín" (que es como si la partícula girara en una dirección específica).
- Cuando Alicia y Bob miden el espín de sus partículas en la misma dirección, siempre obtienen resultados idénticos. Si la partícula de Alicia tiene espín "arriba", la de Bob también lo tendrá.
- Pero si Bob mide el espín en una dirección perpendicular (a 90 grados) a la de Alicia, los resultados son idénticos solo la mitad de las veces.
En matemáticas, decimos que hay una "correlación" perfecta (valor 1) cuando miden en la misma dirección, y ninguna correlación (valor 0) cuando miden en direcciones perpendiculares.
| Mismo eje: | par 1 | par 2 | par 3 | par 4 | ...n | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Alicia, 0°: | + | − | − | + | ... | |
| Bob, 180°: | + | − | − | + | ... | |
| Correlación: ( | +1 | +1 | +1 | +1 | ...)/n = +1 | |
| (100% idéntica) | ||||||
| Ejes ortogonales: | par 1 | par 2 | par 3 | par 4 | ...n | |
| Alicia, 0°: | + | − | + | − | ... | |
| Bob, 90°: | − | − | + | + | ... | |
| Correlación: ( | −1 | +1 | +1 | −1 | ...)/n = 0.0 | |
| (50% idéntica) |
¿Qué son las variables ocultas?
Algunos científicos pensaban que las partículas tenían "variables ocultas", como instrucciones secretas que les decían cómo comportarse cuando se las medía. Si estas instrucciones fueran locales (es decir, solo afectaran a la partícula que las lleva y no a la otra partícula entrelazada al instante), entonces los resultados del experimento deberían seguir ciertas reglas matemáticas llamadas "desigualdades de Bell".
Sin embargo, el teorema de Bell demostró que si las partículas se comportan como predice la mecánica cuántica, Alicia y Bob pueden obtener resultados que superan lo que las teorías de variables ocultas locales permitirían. Por ejemplo, si los aparatos de medición se giran 45 grados entre sí, la mecánica cuántica predice una correlación más alta de lo que las variables ocultas locales podrían explicar.
Esto significa que las partículas entrelazadas parecen "saber" instantáneamente lo que le sucede a la otra, sin importar la distancia. Esto es lo que se conoce como "no localidad".
La importancia del teorema de Bell
Este teorema es muy importante porque desafía nuestra forma de entender la realidad. Antes de Bell, había dos posibilidades para la mecánica cuántica:
- O estaba incompleta, lo que significaba que le faltaban algunas piezas para describir la realidad (como las variables ocultas).
- O violaba el principio de que los efectos físicos no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz.
El teorema de Bell, y los experimentos que lo siguieron, mostraron que la segunda opción es la que parece ser cierta: la mecánica cuántica es correcta, y el mundo cuántico no es "local" en el sentido clásico. Esto significa que las partículas entrelazadas pueden influirse mutuamente de forma instantánea, sin importar la distancia que las separe.
¿Por qué es tan sorprendente?
Imagina que tienes dos monedas mágicas. Si lanzas una y sale cara, la otra, sin importar dónde esté, también sale cara al instante. Y si la lanzas de nuevo y sale cruz, la otra también sale cruz. Esto es lo que hace el entrelazamiento cuántico, pero de una manera que no se puede explicar con "instrucciones secretas" preestablecidas en cada moneda.
Los experimentos que se han hecho para probar el teorema de Bell han confirmado una y otra vez las predicciones de la mecánica cuántica, mostrando que las desigualdades de Bell se rompen. Esto apoya la idea de la no localidad y la forma en que la mecánica cuántica describe el universo.
Experimentos para comprobar el teorema de Bell
Se han realizado muchos experimentos para verificar el teorema de Bell. Estos experimentos suelen usar pares de partículas de luz (fotones) que están entrelazadas. Los científicos miden propiedades de estos fotones y comparan los resultados.
La mayoría de estos experimentos han mostrado que los resultados coinciden con las predicciones de la mecánica cuántica y no con las predicciones de las teorías de variables ocultas locales. Esto significa que el entrelazamiento cuántico es un fenómeno real y que el universo a nivel cuántico se comporta de una manera que desafía nuestra intuición clásica.
Aunque la mayoría de los científicos están de acuerdo con estos resultados, algunos todavía discuten sobre posibles "escapatorias" o fallos en los experimentos. Por ejemplo, si los detectores no capturan todas las partículas, podría haber una pequeña posibilidad de que los resultados estén sesgados. Sin embargo, los experimentos más recientes han intentado cerrar estas escapatorias y los resultados siguen apoyando la mecánica cuántica.
Conclusiones importantes
El teorema de Bell nos enseña que el mundo cuántico es realmente extraño y fascinante. El entrelazamiento cuántico, que es la base de este teorema, es una propiedad única que no se puede explicar con las leyes de la física clásica.
Este descubrimiento no solo es importante para entender cómo funciona el universo a su nivel más fundamental, sino que también tiene aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el entrelazamiento cuántico es la base de tecnologías futuras como la criptografía cuántica, que podría hacer que las comunicaciones sean mucho más seguras.
En resumen, el teorema de Bell nos muestra que la realidad a escala cuántica es mucho más compleja y sorprendente de lo que podríamos haber imaginado, y que las partículas pueden estar conectadas de maneras que desafían nuestra comprensión cotidiana del espacio y el tiempo.
Véase también
En inglés: Bell's theorem Facts for Kids
