Experimento de física a escala global desafía a Einstein con la ayuda de 100 mil voluntarios

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Experimentos simultáneos en cinco continentes desafían el principio de realismo local imaginado por Einstein. Los participantes contribuyeron al experimento generando más de 90 millones de bits, eligiendo en forma impredecible distintas mediciones para eludir la paradoja conocida como “la trampa (loophole) de libertad de elección”. Este estudio fue publicado en la revista Nature.

El 30 de Noviembre de 2016, más de 100.000 personas alrededor del mundo contribuyeron a un conjunto de experimentos de física, primeros en su género, conocido como The BIG Bell Test. Usando smartphones y otros dispositivos con conexión a internet, los participantes aportaron bits impredecibles, que fueron utilizados para determinar de qué manera iban a ser medidos átomos entrelazados, fotones y dispositivos superconductores en doce laboratorios distribuidos por todo el mundo. Los científicos utilizaron este aporte humano para cerrar un loophole, es decir una ambigüedad, que se presenta en forma ubicua en los experimentos del principio de realismo local de Einstein. Los resultados ya han sido analizados, y se reportan en la edición de esta semana de la revista Nature.

En un test de Bell (así llamado por el físico John Stewart Bell), pares de partículas entrelazadas como fotones se generan y se envían a distintas ubicaciones, en las que se mide alguna propiedad de estas partículas como el color de los fotones o su tiempo de llegada. Si los resultados de las mediciones tienden a coincidir, independientemente de qué propiedades elijamos medir, esto tiene implicaciones muy sorprendentes: o la medición sobre una partícula afecta en forma instantánea a la otra partícula (a pesar de estar alejadas entre sí), o – aún más extraño – estas propiedades nunca existieron: fueron creadas por la misma medición. Cualquiera de estas posibilidades contradice el realismo local, la cosmovisión de Einstein sobre un universo independiente de nuestras observaciones, en el cual ninguna influencia ni información puede viajar más rápido que la luz.

El BIG Bell Test les pidió a voluntarios humanos, conocidos como Bellsters, elegir las mediciones, para cerrar el llamado “loophole de libertad de elección” – la posibilidad de que las propias partículas influencien la elección de de la medición. Tal influencia, si existiera, invalidaría el test; sería como si se les permitiera a los estudiantes escribir las preguntas de sus propios exámenes. Este loophole no se puede cerrar eligiendo con un dado o un generador de números aleatorios, porque siempre existe la posibilidad de que estos elementos físicos estén coordinados con las partículas entrelazadas. Las elecciones humanas introducen el componente de libertad de elección, por el cual las personas pueden elegir independientemente de lo que fuera que las partículas pudieran estar haciendo.

Liderado por el ICFO-The Institute of Photonic Sciences, en Barcelona, el BIG Bell Test reclutó participantes alrededor del mundo para contribuir con secuencias de ceros y unos (bits) impredecibles, a través de un videojuego online. Los bits fueron enrutados a experimentos de vanguardia en Brisbane, Shanghai, Viena, Roma, Munich, Zurich, Niza, Barcelona, Buenos Aires, Concepción (Chile) y Boulder (EUA), donde fueron utilizados para ajustar los ángulos de rotación de polarizadores y otros elementos de laboratorio, que determinaron de qué manera se medirían las partículas entrelazadas.

Los participantes contribuyeron con más de 90 millones de bits, posibilitando un test severo para el realismo local, así como también otros experimentos sobre realismo en la mecánica cuántica. Los resultados obtenidos muestran una fuerte discrepancia con la visión de Einstein, cierran por primera vez el loophole de libertad de elección, y ensayan varios métodos nuevos para el estudio del entrelazamiento y el realismo local.

EL EXPERIMENTO de Entrelazamiento en Polarización de Buenos Aires (CITEDEF-UBA)

Cada uno de los doce laboratorios distribuidos por el mundo llevaron a cabo un experimento diferente, para probar el realismo local en distintos sistemas físicos y para probar otros conceptos relacionados con el realismo. El experimento realizado en el Laboratorio de Óptica Cuántica de CITEDEF (Buenos Aires) por investigadores de CITEDEF, CONICET y la UBA, estudió la violación de la desigualdad de CHSH-Bell (una medida de la discrepancia entre la realidad y las teorías de realismo local) utilizando fotones entrelazados en polarización, generados por conversión paramétrica descendente en un arreglo de cristales no lineales. El experimento completo utilizó 10.033 bits aleatorios, generados por Bellsters distribuidos alrededor del mundo y transmitidas por los servidores del BBT en Barcelona; estos bits definían distintas configuraciones para la medición de la polarización. El experimento resultó en una violación de la desigualdad de CHSH-Bell por siete desviaciones estándar. Esto significa que si el experimento fuera repetido todos los días en un mundo regido por el realismo local, un resultado como el obtenido debería obtenerse una vez en mil millones de años.

Miguel Larotonda, Profesor en UBA e Investigador en CITEDEF-CONICET: “Es un experimento que tiende a cerrar el abismo existente entre el público en general y los conceptos 'extraños' y anti-intuitivos de la mecánica cuántica, al atraer y motivar a participantes de todo el mundo para producir secuencias impredecibles de bits, que alimentan experimentos simultáneos y de última tecnología en una cantidad de laboratorios de todo el mundo. En Argentina, el experimento BBT generó un interés sin precedentes en los medios, en el periodismo científico en particular y en el público no especializado en general.”

Carlos Abellán, investigador en ICFO e impulsor del proyecto: “El BIG Bell Test fue un proyecto increíblemente desafiante y ambicioso. En el comienzo parecía de una dificultad imposible de sortear, pero se convirtió en una realidad gracias al esfuerzo de docenas de científicos entusiastas, comunicadores científicos, periodistas y distintos medios, y especialmente a las decenas de miles de personas que contribuyeron al experimento durante el 30 de Noviembre de 2016.”

Morgan Mitchell, líder del proyecto BBT y Profesor de la Insititució Catalana de Recerca I Estudis Avançats (ICREA) en el ICFO: “Para mí, lo más asombroso es que la discusión entre Einstein y Niels Bohr, después de más de 90 años de esfuerzos para plantearla de forma más rigurosa y estudiarla en forma experimental, aún conserva un componente humano y filosófico. Sabemos que el bosón de Higgs y las ondas gravitacionales existen gracias a máquinas sorprendentes, sistemas físicos construidos para poner a prueba las leyes de la física. Pero la del realismo local es una pregunta que no podemos contestar en forma completa usando una máquina. Pareciera que nosotros mismos debemos ser parte del experimento, para preservar la honestidad del Universo.”

El equipo del BIG Bell Test quiere agradecer una vez más a los miles de participantes que en forma tan entusiasta y generosa contribuyeron a esta iniciativa. Sin su aporte esencial, este experimento nunca habría sido posible. Referencia: Challenging local realism with human choices, The Big Bell Test Collaboration, Nature 2018.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0085-3
https://arxiv.org/abs/1805.04431

Instantáneas del universo

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“La cosmología se parece a la paleontología en el sentido que estamos tratando de reconstruir la historia a partir de piezas que encontramos. Nosotros no excavamos la tierra sino que usamos telescopios para sacar fotos de cosas que están muy lejos y, como la luz tarda en llegar, sabemos que sucedieron mucho antes en la historia del universo”. El que habla es Matías Zaldarriaga, físico egresado del Departamento  de Física, hoy profesor en Princeton y de visita en nuestro país.

La comunidad científica coincide en las evidencias y modelos acerca del origen del universo sólo hasta cierto momento de la historia: "tenemos consenso porque hay, por así decirlo, "fotos" a disposición, pero nos faltan datos de las primeras fracciones de segundo. Además, las leyes de la física que somos capaces de medir en los laboratorios no son válidas para esos instantes; por lo tanto el debate es mayor y aunque hubiera acuerdo en las interpretaciones podríamos no estar comprendiendo bien lo sucedido".

Una de esas “fotos” de la que habla Zaldarriaga es el mapa de temperatura que tenía el universo 380 mil años después de la expansión feroz que conocemos como Big Bang. Una imagen proporcionada por la radiación del fondo cósmico de microondas cuando la temperatura descendió lo suficiente como para permitir que los electrones y protones formen átomos de hidrógeno neutro, dejando paso libre a la radiación. Esos fotones que nos llegan poseen información sobre las condiciones físicas del universo de aquel momento y, de su viaje hasta hoy nos brindan información sobre la materia y la energía que posee el cosmos.

Entre los vestigios que observan los cosmólogos, hay gases livianos que atesoran mucha información: “Medimos cuánto helio y cuánto deuterio hay en el universo para contrastar esos datos con las predicciones hechas a partir de la física nuclear y las ecuaciones de la Relatividad General en relación a la expansión del universo de ese momento; sabemos que el modelo es correcto cuando representa a las reacciones nucleares que originaron a esos elementos”, explica el físico y agrega que “antes de los gases se generaron los neutrinos, y también fueron detectados los efectos de estas partículas en la radiación cósmica de fondo, además, conocemos con cierta certeza la época en que los neutrinos fueron producidos”.

Zaldarriaga cuenta que la época dorada de la cosmología fue entre 1940 y 1960 y que hoy se encuentran en “una etapa de precisión”. En este momento él y su equipo de trabajo desarrollan modelos para hacer predicciones más precisas sobre la estructura a gran escala del universo que llevarán a cabo las nuevas generaciones de telescopios.

Las preguntas abiertas siguen siendo “qué son la materia y la energía oscura, qué pasó en el principio, por qué el universo es tan grande, de dónde salieron las primeras fluctuaciones esenciales que luego dieron lugar a las galaxias, a la estructura a gran escala del universo, y a la radiación cósmica de fondo. Son preguntas que nos hacemos hace décadas y probablemente sigan con nosotros otras tantas”.

Mirando al sur

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Se llevó a cabo un nuevo encuentro de física espacial de países latinoamericanos, esta vez en Buenos Aires. La reunión número once incluyó además una Escuela donde más de cincuenta jóvenes estudiantes pudieron tomar clases con los referentes internacionales del área.

Cada tres años la Asociación Latinoamericana de Geofísica Espacial (ALAGE) celebra el encuentro donde más de doscientos investigadores de la región comparten y debaten los resultados originales de sus investigaciones. Este año, los organizadores fueron un grupo de científicos argentinos expertos en el campo; entre ellos los profesores del Departamento de Física Daniel Gómez, Pablo Dmitruk, Cristina Mandrini y Sergio Dasso, y también  investigadores del Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE) como César Bertucci y Marcelo López Fuentes; y de la UTN (Regional Mendoza) como Hebe Cremades.

“Durante el 16 al 20 de abril tuvo lugar el congreso, que llamamos COLAGE en el Centro Cultural de la Ciencia. Es la primera vez que se hace en Buenos Aires -la segunda en Argentina-, y para nosotros fue muy emocionante contar con la presencia de Juan Roederer como principal invitado. Roederer fue profesor del Departamento hasta la noche de los bastones largos, luego se exilió a Estados Unidos y reside allí desde entonces”, relata Gómez.

Además de su exposición sobre 60 años de Física del Cinturón de Radiación, el legendario físico tocó unas piezas de Nicolas de Grigny y de Bach en el órgano para todo el auditorio. Otro momento especial fue la entrega del premio “Mario Acuña” a dos investigadores de larga trayectoria; el galardón es en honor al físico argentino que desarrolló los magnetómetros utilizados en innumerables misiones espaciales y contribuyó además a la constitución de la ALAGE.

El profesor Daniel Gómez que además es investigador del IAFE, perteneciente a UBA-CONICET, considera que una “reunión de latinos es necesaria porque si bien todos nosotros mantenemos  contactos con colegas en Europa o Estados Unidos, que es donde se hace ciencia de frontera y donde están los recursos, debemos mirarnos entre nosotros también. Nuestras realidades son parecidas, estos encuentros se hacen a pulmón pero son fundamentales”

Las ponencias fueron sobre sobre una diversidad de temas que incluyen el estudio del espacio alrededor de la Tierra, el medio interplanetario, las atmósferas de planetas y cometas, la variabilidad solar y su impacto en la Tierra. Así como se abordó la importancia que tiene la disciplina para la operación confiable de los sistemas espaciales y para una mejor comprensión de los procesos involucrados en el cambio climático global.

Por otro lado, se desarrolló la Escuela entre los días 23 y el 26 de abril en el aula Magna de nuestra institución, donde 54 estudiantes latinoamericanos de licenciatura, maestría y doctorado asistieron a clases intensivas con profesores de primer nivel. Especialistas en temas de relevancia actual como magnetósferas planetarias, aceleración  de partículas y propagación de ondas de choque, turbulencia en el viento solar y clima espacial contribuyeron a la formación de los jóvenes científicos.

La Escuela fue financiada en buena parte por el Centro Latinoamericano de Formación Interdisciplinaria (CELFI), un programa dependiente del MinCyT. “Los congresos latinoamericanos se realizan cada tres años, lo que es un esfuerzo muy grande para una comunidad con pocos recursos. Por eso el apoyo del CELFI fue fundamental, permitió la participación de jóvenes y eso es apostar a la generación que viene. Le da vitalidad a esta comunidad, que trabaja en temas fundamentales, como la Física Espacial y su impacto sobre nuestro planeta”, afirma Gómez.

Cerebro, penumbras y percepción

¿Cómo se comporta la actividad cerebral espontánea a lo largo del día y cómo influye en las capacidades perceptuales? El investigador del IFIBA, Enzo Tagliazucchi, publicó junto a colegas del área de Neurociencias resultados de su investigación en Nature Communications.  

Sabemos que el cerebro no cesa su actividad en ningún momento, sin embargo los investigadores han podido conocer variantes, diferencias de intensidad en la actividad espontánea del cerebro relacionada a los cambios de luz que ocurren durante el del día. Han descubierto que en los momentos de penumbra, cerca de las ocho de la mañana y las ocho de la tarde, la capacidad perceptiva visual aumenta.

“El resultado es importante por varios motivos, en primer lugar sugiere que la necesidad de adaptar la percepción en momentos de menor iluminación no se relaciona solamente con cambios periféricos - dilatación o contracción de la pupila, por ejemplo- sino que aun ante los mismos estímulos el cerebro adapta su nivel de actividad espontánea para permitir un procesamiento más preciso de los estímulos. Es decir que cuando hay penumbra, la capacidad perceptiva visual aumenta porque se suprime todo ese ‘ruido’ endógeno de fondo”, explica el físico, investigador del Instituto de Física de Buenos Aires, CONICET-UBA.

Tagliazucchi aclara que cuando se refieren a la percepción lo hacen en particular a una tarea umbral, al borde de la percepción visual: “un estímulo muy tenue que es difícil de percibir y por lo tanto los sujetos pueden fallar”. Y agrega que a menor tasa de errores, menor intensidad del ruido endógeno del cerebro. Lo cual “es otra prueba de que la merma en el ruido de fondo cerebral durante los momentos de poca luz es lo que permite adaptar nuestra visión y percibir con mayor claridad”.

Para el estudio se utilizaron imágenes de resonancia magnética funcional -fMRI por sus siglas en inglés-, una técnica experimental que permite conocer la actividad cerebral de manera indirecta, a través de la medición del flujo cerebral. “Lo que hicimos fue estudiar la actividad cerebral de los sujetos en reposo, es decir, sin presentarles ningún estímulo”.

“Evidentemente hay algo necesario en la existencia de esa actividad endógena, si bien puede ser perjudicial para la percepción en ciertos momentos del día, posiblemente sea vital en otros. Nuestra teoría es que es una exploración de las configuraciones que el cerebro necesitaría activar para llevar a cabo distintas tareas; al estar analizándolas de manera dinámica y constante, el tiempo de reacción -ante una amenaza, por ejemplo- es más bajo dado que el cerebro ya se encuentra en una configuración cercana a la que necesita para reaccionar”,  dice el físico.

Por último, los investigadores se preguntan si existen mecanismos compensatorios similares en personas con visión reducida y si esta relación también ocurre en otras modalidades sensoriales, como la corteza auditiva en pacientes con dificultades de escucha, o personas en ambientes muy ruidosos. “En última instancia -concluye el investigador- la pregunta es si es posible manipular mediante medios electrónicos o farmacológicos la intensidad de la actividad endógena en distintos lugares del cerebro, y así, facilitar la capacidad perceptiva en individuos con deficiencias de ese tipo”.

Nature Communications: Endogenous modulation of human visual cortex activity improves perception at twilight, 10 de abril de 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-03660-8