El principio de localidad de la física clásica (relativista o no) establece que las interacciones (fundamentales) nunca ocurren de forma instantánea, estas han de seguir una cadena de relaciones causa-efecto.
El principio de no-localidad de la mecánica cuántica, en su formulación original, consiste en que las partículas cuánticas pueden «notar» de forma instantánea los estados de otras partículas, incluso a grandes distancias (no-localidad espacial), lo que permitiría establecer una correlación entre alguno de sus estados (entrelazamiento). Esto no supone, en modo alguno, que la información (señales de cualquier tipo) pueda viajar a velocidades superiores a c (velocidad de la luz en el vacío). Lo que ocurre es que en mecánica cuántica las partículas entrelazadas (con un estado de entrelazamiento de alguna de sus propiedades) comparten una función de onda (común para todas ellas). Es como si, de alguna forma (que la ciencia actual no ha logrado explicar), las partículas entrelazadas compartiesen algún tipo de información, sin la necesidad de enviarse señales.
La no-localidad no es aplicable en física clásica, ocurre únicamente en mecánica cuántica. Si bien es cierto que recientemente se ha evidenciado experimentalmente cierto grado de correlación entre estados, durante un determinado tiempo, a un nivel macroscópico (ver: Entrelazamiento macroscópico)
Cabría hablar de la no-localidad (espacial y temporal) es una característica de la interpretación original de la mecánica cuántica, aunque en esta Interpretación de Copenhague la no-localidad permanece implícita.
La matemática que describe el entrelazamiento cuántico viene a decirnos que varias partículas pueden tener una correlación entre alguno de sus estados cuánticos. Por ejemplo, una no-localidad espacial puede ser una superposición de estados para varias posiciones espaciales. De forma análoga podría ser para una no-localidad temporal.
En 1982 el físico francés Alain Aspect, basándose en las desigualdades de Bell (prueba de Bell), demostró que la realidad cuántica del entrelazamiento es de naturaleza no local, para estados puros entrelazados (en coherencia). Desde entonces numerosos equipos de investigadores han corroborado esto.
Aspect logró realizar llevar al terreno experimental una prueba de Bell con resultado favorable. Demostró que la realidad cuántica del entrelazamiento es de naturaleza no-local espacial. [Aspect, 1982]
Thomas Filk (de la universidad alemana de Freiburgo) definió en 2013 el concepto de “no–localidad temporal” dentro del marco estándar de la teoría cuántica. En particular, analizó las nociones de “estados temporalmente no-locales”, “eventos temporalmente no-locales” y “observables temporalmente no-locales”.
Centrándonos en la idea de eventos temporalmente no locales, esta se basa en el formalismo de la mecánica cuántica, siendo el físico Basil J. Hiley (emérito de la Universidad de Londres) el que en 1975 define un operador para medir el grado de la no-localidad aplicable a lo temporal.
El concepto de estados temporalmente no-locales se basa en la idea de «estados que representen relojes» en un contexto relativista. Esta idea trata de la manera en que las medidas sin localidad temporal puedan encontrar una aplicación experimental aplicable a las diversas versiones temporales de las desigualdades de Bell. [Filk, 2013]
El abordaje de la cuestión los “estados temporalmente no-locales”, se hace desde la noción previa de “estados espacialmente no-locales” en el marco de la teoría cuántica estándar. Esencialmente, hay que tener en cuenta dos interpretaciones de estados espacialmente no locales: (1) una función de onda extendida espacialmente que describe la incertidumbre en la posición de un solo objeto, y (2) estados entrelazados de dos (o más) sistemas en ubicaciones que estén lejos unas de otras. Posteriormente se extienden ambos conceptos al régimen temporal.
La generalización al régimen temporal de estados espacialmente no-locales, que pueden ser superposición de varios estados espacialmente localizados, plantea la pregunta: ¿Se pueden construir superposiciones de estados que se refieran a diferentes tiempos? A primera vista, tal posibilidad parece estar en conflicto con la teoría cuántica estándar, porque los tiempos no llegan a ser valores propios de algún observable, y que las superposiciones se refieren a combinaciones lineales de estados que son estados propios de algún observable. Dicho de otro modo, todos los vectores en un espacio de Hilbert se refieren al mismo tiempo (que es un parámetro externo), y no parece haber forma de construir una superposición de vectores que se refieran a diferentes tiempos. Una forma de atribuir un significado a un concepto como “superposición de estados en tiempos diferentes” es que el estado “lleve su propio tiempo”, es decir, represente un reloj cuyo estado denote un tiempo intrínseco. De esta manera se ha trasladado el problema de “superposición de estados en tiempos diferentes” a “superposiciones de estados de relojes que se refieren a tiempos diferentes”.
La relación de incertidumbre (Heisenberg) para el tiempo y la energía juega, así mismo, un papel en la teoría cuántica, porque la incertidumbre temporal ∆t (en la ubicación temporal de un evento) está condicionada por la incertidumbre ∆E (en la energía de ese evento)
La física clásica no tiene la noción de un presente preferido. De manera dependiente del observador, la descripción de los procesos físicos se refiere a un parámetro que se llama “tiempo”, pero que en realidad se refiere al estado de un reloj que el observador usa para correlacionar observaciones particulares con configuraciones particulares de este reloj.
La noción de un “presente” parece estar en contradicción con la relatividad, que niega la existencia de una simultaneidad independiente del observador. En el espacio de Minkowski se puede definir una simultaneidad global una vez que se ha acordado un procedimiento para la sincronización de relojes (dentro del mismo sistema inercial), sin embargo, esta definición de simultaneidad depende del marco de referencia del observador. En el contexto de la relatividad general, tal definición global de simultaneidad no es posible, en general.
Relación entre entrelazamiento cuántico y la no-localidad cuántica.
La idea de entrelazamiento cuántico, fue introducido por primera vez por Einstein, Podolsky y Rosen (como algo absurdo), y, muy poco después, por Schrödinger hacia 1935 (como algo posible). El entrelazamiento cuántico puede surgir cuando se producen dos sistemas cuánticos a partir de una fuente común, por ejemplo, cuando se producen dos partículas con espín opuesto (en un proceso de desintegración o de otro tipo). Matemáticamente significa que un estado en entrelazamiento cuántico no puede escribirse como un estado producto (entre espacios) con todos sus términos, sino como un sistema descrito por una función de onda (única para todo el sistema).
Hacia 1965 se comienza a considerar, dentro del marco teórico (aunque inicalmente no se aceptó como un hecho experimental, quizá por una falta de recursos para la época), la posibilidad del entrelazamiento cuántico entre partículas, gracias al conocido conjunto de desigualdades de Bell (pruebas de Bell), lo que implica que la teoría cuántica podría exhibir una forma de no-localidad (con correlaciones no-locales). La no-localidad de Bell sería una prueba matemática que corroboraría que la mecánica cuántica que no pueda explicarse mediante ningún modelo clásico local (o de variables ocultas). Esto quedaría confirmado 17 años después por el equipo de físico francés Alain Aspect (1982), laureado con el Nobel de física en 2022.
El entrelazamiento cuántico entre estados para varias partículas es, en la mayoría de los casos, de naturaleza no-local (en sentido espacial). Sin embargo, la no-localidad de una partícula de momento lineal (velocidad) conocido, por el principio de indeterminación de Heisenberg, exhibirá una completa incertidumbre en su posición (espacial), es decir, no podría estar estar localizada en absoluto.
Matices (diferencias) entre no-localidad, entrelazamiento y deslocalización en mecánica cuántica:
No localidad: Son correlaciones entre eventos separados en el espacio y el tiempo que no pueden explicarse por señales locales (implican una conexión no causal clásica)
Deslocalización: Un solo sistema cuántico no está localizado en una región precisa del espacio-tiempo; su presencia está distribuida de una determinada forma (con una probabilidad bien conocida).
Ambas rompen intuiciones clásicas, pero la no localidad se refiere a correlaciones entre sistemas, y la deslocalización, a la extensión de un solo sistema en el espacio-tiempo.
Un ejemplo de un sistema entrelazado que es local (no es no-local) en mecánica cuántica: El estado de Werner es una mezcla de un estado entrelazado puro y un estado completamente mezclado (ruido blanco). El estado es entrelazado, aunque no se violan las desigualdades de Bell (es decir, sus correlaciones se explican sin recurrir a la no localidad). El sistema está cuánticamente entrelazado, porque no se puede escribir como mezcla de estados producto. Sin embargo, las correlaciones que genera no son lo suficientemente fuertes como para demostrar experimentalmente una violación de Bell. Es decir: no hay no-localidad observable en este ejemplo. En síntesis, cabe decir en este caso que: Entrelazamiento ≠ no localidad.