Una pregunta curiosa: ¿hay eventos físicos que no tienen ninguna causa o hay una razón detrás de cada acción?

Esta pregunta representa uno de los ejes centrales de una de las áreas más extrañas de la ciencia fundamental. También ha sido motivo de desconcierto para algunas de las mentes más brillantes de la historia de la ciencia. Y además, también tiene importantes consecuencias para las tecnologías emergentes como la computación cuántica y la criptografía cuántica. De hecho, la pregunta también podría ser uno de los núcleos de una nueva rama científica que está cambiando nuestra comprensión de la relación causa y efecto.

Ahora, esta pregunta podría tener respuesta gracias al trabajo que el investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona (España) Morgan Mitchell. Junto a docenas de colaboradores y más de 100.000 participantes de todo el mundo, Mitchell ha organizado una prueba única para analizar una de las predicciones más confusas de la teoría cuántica.

Su conclusión es que no es necesario que cada acción tenga una explicación. "Si la voluntad humana es libre, debe haber eventos físicos sin causa", explican Mitchell y su equipo. Su investigación utiliza ciencia basada en evidencias para vincular por primera vez el concepto metafísico del libre albedrío con la física básica.

Primero, un poco de contexto. Una de las características más curiosas de la mecánica cuántica es que permite que las partículas cuánticas creadas en el mismo punto del espacio-tiempo compartan la misma existencia. Este vínculo se conoce como entrelazamiento cuántico y se mantiene independientemente de la distancia a la que se encuentren estas partículas.

Lo más extraño del entrelazamiento es que crea un vínculo entre dos puntos del universo pero sin atravesar el espacio que hay entre ambos. De modo que una medición en un punto influye instantáneamente en el otro, sin importar la distancia que les separe. El misterio está en que no hay manera de que una partícula influya en la otra sin enviar señales más rápidas que la luz,. Pero los físicos están bastante seguros de que esto no es lo que pasa en el entrelazamiento cuántico.

Para dar con otra posible explicación hay que admitir que ambas partículas están correlacionadas bajo un mecanismo que los físicos aún no entienden. Pero si fuera posible medir este fenómeno, los físicos podrían ver cómo se determina el comportamiento de ambas partículas. Si seguimos este enfoque, podríamos decir que el comportamiento cuántico es completamente determinista y supone que hay una razón para todo lo que sucede en la escala cuántica. Así que este misterioso fenómeno debe ser parte de una teoría más profunda de la realidad.

Eso plantea una pregunta obvia: si hay una teoría más profunda de la realidad, ¿cómo podemos encontrar pruebas de su existencia?

En la década de 1960, el entonces físico de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en francés) John Bell, también intentó resolver problema. En la década de 1930 Einstein también lo había intentado sin éxito, y las siguientes generaciones de investigadores habían intentado esconder el problema bajo la alfombra, ya que no les apetecía tener que lidiar con la posibilidad de que hubiera una teoría más fundamental que propia la mecánica cuántica.

Pero Bell agarró al toro por los cuernos. Demostró que la mecánica cuántica depende de una teoría de variables ocultas, entonces el universo debería de comportarse de forma ligeramente a como lo haría si la mecánica cuántica fuera la única piedra angular. Y, lo más importante, demostró cómo se podía medir esta diferencia.

La prueba de Bell consiste en medir las propiedades de dos partículas entrelazadas y, en concreto, en medir cómo la variación de una medida influye en la otra. Si realmente existiera una teoría de variables ocultas, habría un resultado X. Pero si no existiera, el resultado tendría que ser distinto.

A finales de la década de 1960, la prueba de Bell sobrepasó las capacidades de los físicos cuánticos. Necesitaba una fuente confiable de partículas entrelazadas, algo imposible de producir en aquella época. También hacían falta muchas mediciones para crear una evidencia estadística suficiente para convencer a los físicos.

No fue hasta 1982 cuando la tecnología logró avanzar lo suficiente como para realizar una prueba de Bell. Y el experimento mostró claramente que la teoría de variables ocultas era incompatibles con los resultados. La prueba de Bell demostró que la forma en que una partícula entrelazada influye en otra no es el resultado de una variable oculta gobernada por principios deterministas. En otras palabras, el proceso de causa y efecto no podía explicar esta influencia.

Este resultado fue tan asombroso y profundo que la mayoría de los físicos simplemente lo ignoraron. Pero un pequeño grupo de físicos cuánticos comenzó a investigarlo a profundidad.

Les preocupaba que el experimento tuviera una laguna importante. La prueba de Bell requiere que se realicen ciertas mediciones con ajustes aleatorios. Por ejemplo, un fotón entrelazado podría enviarse a través de un conjunto de filtros polarizadores en un ángulo elegido al azar. La aleatoriedad verdadera es importante porque no tiene un patrón subyacente que pueda ser determinado por una teoría de variables ocultas. Sin embargo, si la configuración de la prueba no fuera aleatoria, sino que estuviera influida por una variable oculta, los resultados serían nulos y el experimento inválido.

Aquí llega la parte difícil. Garantizar una aleatoriedad real es complicado. Los físicos pueden calcular números aparentemente aleatorios, pero este proceso depende de las leyes de la física y, por lo tanto, de cualquier teoría de variables ocultas, en caso de que exista. De hecho, si la teoría de variables ocultas es cierta, entonces gobierna todo el universo y cada proceso dentro de él, incluido cualquier proceso determinista utilizado para configurar el experimento.

Desde 1982, los físicos han realizado muchas pruebas de Bell. Se construyen de forma rutinaria cualquier laboratorio de óptica cuántica y son una parte clave de los protocolos utilizados en tecnologías emergentes como la criptografía cuántica. Cada una de estas pruebas sugiere que la teoría de variables ocultas no puede ser verdadera. Pero al mismo tiempo, cada prueba podría ser una víctima del mismo agujero.

Para Bell, había una potencial forma de resolver el enigma: usar el libre albedrío humano. En principio, el libre albedrío nos permite elegir cualquier escenario para el experimento, independientemente del papel de la teoría de variables ocultas. Así que haría falta que los humanos eligieran las configuraciones del experimento para acabar con el agujero de libertad de elección.

Pero como siempre, decirlo es más fácil que hacerlo. Una típica prueba de Bell implica millones de pares entrelazados y millones de cambios en los ajustes del experimento durante un período de unas pocas horas. Pero si solo se pone a un ser humano a controlar el cambio de configuración, solo podría alterar la prueba a una velocidad máxima de tres bits por segundo. Está claro que un experimento como este no sería demasiado práctico.

Ahí es donde entran Mitchell y su equipo, a quien se les ocurrió recurrir a los proyectos colaborativos para congregar el potencial humano necesario para el experimento. El 30 de noviembre de 2016, durante 12 horas, 100.000 voluntarios (llamados Bellsters) de todo el mundo se alinearon para generar fragmentos aleatorios que luego podrían usarse para controlar los ajustes de 13 pruebas de Bell diferentes.

Para producir datos suficientes de forma consistente, Mitchell y su equipo convirtieron el proceso de producir bits en un juego. Los voluntarios recibían puntuación y recompensas por lograr ciertos objetivos. A una velocidad constante de 1.000 bits por segundo, los bits llegaron a los laboratorios de todo el mundo que habían acordado realizar una prueba de Bell de varias formas. Se suministraron utilizando fotones como partículas cuánticas, átomos e incluso superconductores en una miríada de combinaciones.

El experimento en sí ya supone un logro impresionante. Involucrar a 100.000 voluntarios de todo el mundo para que colaboren en un experimento al mismo tiempo en un solo día ya es un gran avance. Será interesante ver cómo este tipo de capacidad de colaboración abierta distribuida (o crowdsourcing) se puede utilizar en el futuro.

En cualquier caso, el experimento en sí es real y sus resultados no dejan lugar a dudas. Los 13 experimentos produjeron resultados que refutan sólidamente la posibilidad de una teoría de variables ocultas. Y cierran bastante el agujero del libre albedrío. "Los resultados muestran empíricamente que la acción humana es incompatible con el determinismo causal, una cuestión que antes solo era accesible por la metafísica", detalla la investigación.

Esa es una buena noticia para las muchas tecnologías cuánticas emergentes basadas en las pruebas de Bell, como el teletransporte cuántico y la criptografía cuántica. La existencia de una teoría de variables ocultas implicaría, por ejemplo, que la criptografía cuántica podría no ser del todo segura.

Pero está claro que esta gran prueba de Bell tampoco es perfecta. Los humanos se rigen por las leyes de la física de la misma manera que todos los demás objetos. De hecho, simplemente somos máquinas complejas que no se distinguen de cualquier otra máquina capaz de girar diales y cambiar la configuración de un experimento. El libre albedrío humano no tiene un estatus especial en el universo, y si la teoría de las variables ocultas gobierna el universo, también debe gobernar nuestro libre albedrío. En ese caso, la voluntad humana no sería libre sino que, en última instancia, estaría gobernada por un sistema determinista de variables ocultas.

Así que la gran prueba de Bell no cierra todos los agujeros. Pero sí sugiere que si de verdad existe una realidad más profunda debajo de la mecánica cuántica, seremos incapaces de acceder a ella.

Entonces, qué hay de la pregunta original: ¿existen ciertos sucesos físicos que no tienen ninguna causa?  La gran prueba de Bell ofrece una respuesta, aunque está condicionada. La respuesta es esta: si los humanos tienen libre albedrío, entonces algunos eventos físicos no tienen ninguna causa.

Y ese es un trampolín para un nuevo conjunto de experimentos fundacionales sobre la naturaleza de causa y efecto. La mecánica cuántica, y en particular las pruebas de Bell, desdibujan la distinción entre causa y efecto. Así que los físicos están explorando los límites de estas ideas para ver cómo se pueden usar en dispositivos informáticos, algoritmos de seguridad y similares. Los primeros resultados son prometedoramente ambiguos, aunque pasará un tiempo antes de que encuentren su camino en las aplicaciones cotidianas.

Aunque han pasado 50 años desde que Bell presentó sus controvertidas ideas, actualmente sus pruebas están en el centro de la emergente revolución de la tecnología cuántica. No cabe duda de que Bell estaría seguro de que nos esperan más avances en el futuro.

Ref: arxiv.org/abs/1805.04431: Challenging Local Realism With Human Choices