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El experimento físico más hermoso de todos los tiempos

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos: la doble rendija

En 2003 la revista Physics World preguntó a sus lectores cuál era en su opinión el experimento más bello de la historia de la física. Ganó el célebre experimento de la doble rendija, una prueba diseñada en 1801 para probar la naturaleza ondulatoria de la luz que no ha dejado de repetirse, en diversos formatos y con distintos objetivos, hasta la actualidad.

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos
Láser difractado usando rendija doble. Foto tomada en el laboratorio de óptica de la facultad de ciencias de la UNAM. / Lienzocian (CC-BY-SA)

La fascinación que sigue produciendo este experimento tiene que ver con que, como dijo el físico Richard Feynmann (1918-1988), contiene en sí mismo el corazón y todo el misterio de la física cuántica, la disciplina que estudia el comportamiento de la materia a escala microscópica.

En el mundo cuántico –el de las partículas subatómicas como los electrones– las ‘cosas’ actúan de una forma muy distinta a como sucede en la escala macroscópica, en la que nos movemos los seres humanos. El experimento de la doble rendija pone de manifiesto dos características desconcertantes de ese mundo. La primera es que, a escala micro, los objetos físicos tienen una naturaleza dual: según las circunstancias, pueden comportarse como un conjunto de partículas o como una onda. Y la segunda consiste en que el hecho de observarlos hace que actúen de una manera o de otra.

Para entender algo más del mundo cuántico, vamos a presentar una formulación ideal del experimento prescindiendo de los detalles técnicos.

Situémonos primero en la escala macro, en nuestro mundo. Vamos a lanzar, una a una y en distintas direcciones, miles de canicas contra una placa atravesada por dos finas rendijas verticales. En otra placa más alejada vamos a recoger el impacto de las canicas. ¿Qué ‘dibujo’ habrá producido este impacto?

La respuesta es: dos franjas verticales, correspondientes a las canicas que han logrado atravesar la placa anterior a través de las ranuras.

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Ahora, introduzcamos todos los elementos del experimento en una piscina llena de agua. Desde el mismo punto desde el que hemos lanzado las canicas comenzaremos a generar olas. Una vez que las olas atraviesen las dos ranuras y lleguen a la última placa, ¿dónde impactarán con más intensidad? ¿Qué ‘dibujo’ provocará ese impacto?

La respuesta es: una serie de franjas verticales de diferente intensidad que los físicos llaman “patrón de interferencia”. Este dibujo se produce porque el oleaje inicial, como cualquier onda, se difracta al atravesar las ranuras, dando lugar a dos oleajes que interfieren entre sí. En algunos puntos las olas se potencian y en otros se anulan, lo que provoca un impacto con desigual intensidad sobre la última placa.

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Pues bien, descendamos ahora al mundo cuántico y, en lugar de canicas, lancemos electrones uno a uno a través de la doble ranura. ¿Qué se ‘dibujará’ en la segunda placa? Con la lógica que utilizamos en el mundo macro, lo esperable es que el electrón, que es una partícula, impacte igual que una canica y dibuje dos franjas verticales.

Sin embargo, el resultado que obtenemos es… ¡un “patrón de interferencia”!

Dualidad onda-partícula

¿Cómo se entiende todo esto? En el libro Mecánica cuántica (CSIC-Catarata), el investigador del CSIC Salvador Miret ofrece algunas explicaciones.

La interpretación estándar nos dice que el electrón se lanza y se recoge como una partícula, pero se propaga como una onda. Es decir, que durante su recorrido el electrón está distribuido o superpuesto en toda el área que ocupa su onda, por lo que atraviesa las dos rendijas a la vez e interfiere consigo mismo hasta impactar contra la segunda placa. En ese momento, como consecuencia del impacto, el electrón vuelve adoptar la naturaleza de partícula –en términos más precisos diríamos que colapsa su función de onda– situándose en uno de los múltiples puntos atravesados por la onda. Al comenzar el experimento los electrones se distribuirán por la segunda placa de una forma aparentemente aleatoria, pero al incrementar el número de impactos veremos cómo va formándose el “patrón de interferencia”. Es decir, que la posibilidad de impactar en uno u otro punto está determinada por la onda. En este vídeo puede verse cómo se reproduce un patrón de interferencia en tiempo real, aunque no con electrones sino con moléculas de ftalocinanina:


link: https://www.youtube.com/watch?v=NUS6_S1KzC8

interpretaciones de la mecánica cuántica más recientes, como la propuesta por David Bohm (1917-1922), nos dirían que el electrón sigue una trayectoria (no se superpone en varios sitios a la vez) pero que esta está guiada por una onda. En este modelo las ondas son como corrientes de ríos que ‘transportan’ a las partículas: las primeras trazan los numerosos caminos que pueden seguir las segundas pero cada partícula recorre solo uno de ellos. En cualquier caso, esta interpretación no cuestiona la naturaleza dual del mundo cuántico: no podemos considerar las partículas como independientes de su onda.

La importancia del observador

Sin embargo, esta es solo una de las aportaciones de nuestro experimento. ¿Qué pasa cuando colocamos un detector para averiguar por qué rendija pasa nuestro electrón?

Pues que el “patrón de interferencia” desaparece y los electrones impactan en la segunda placa como si fuesen canicas. Es decir, que al tratar de observar el sistema, hemos actuado sobre él, obligando a nuestro electrón a comportarse como una partícula. Los fotones que hemos enviado para detectarlo han interaccionado con él y alterado el resultado del experimento.

Evidencias como estas llevaron a Niels Bohr (1885-1962), uno de los ‘padres’ de la mecánica cuántica, a decir, en los años 20 del siglo pasado, que ya no somos meramente observadores de lo que medimos sino también actores. De repente, una ciencia dura como la física comenzaba a cuestionar el paradigma de la objetividad: ¿podemos conocer la realidad sin interferir en ella y sin que ella interfiera en nosotros?

La ortodoxia cuántica, de la que Bohr fue uno de los principales paladines, plantea que la presencia del observador introduce una incertidumbre insoslayable. De acuerdo con Werner Heisenberg (1901-1976) y su principio de incertidumbre, es imposible conocer al mismo tiempo todas las propiedades de nuestra partícula porque, al observar una, estamos alterando el resto. Al querer conocer la posición exacta de un electrón, por ejemplo, su velocidad queda muy indeterminada. Por eso, desde este punto de vista no podemos ir más allá de calcular las potencialidades que nos ofrece su denominada función de onda.

Sin embargo, en los últimos años, la física no ha dejado de buscar formas de medición débiles, que no alteren el sistema observado, y de proponer modelos abiertos, que integran en su formulación al observador. El objetivo: precisar qué hacen las partículas cuando no las observamos… Si realmente estas propuestas llegan a buen puerto es posible que, como afirma Miret, vivamos una auténtica revolución de la mecánica cuántica. De todas formas, parece difícil que cualquiera de los nuevos planteamientos pueda dejar completamente de lado al observador, aunque solo sea para tratar de neutralizar sus efectos sobre el mundo observado.

6 comentarios - El experimento físico más hermoso de todos los tiempos

Zacinto +1
rendija? oh yesssss
Ledguerra +2
Nosotros formamos la realidad. Pero la realidad nos forma también a nosotros. Todo es una dualidad. Todo es frecuencia y vibración.
Como decían las doctrinas herméticas; como es abajo es arriba y como es arriba es abajo.
Todo es un bucle de conciencia.
xrobertynox +1
todo es cuestion de conciencia, miralo al pobre gato de Schrödinger
Tavorett
@Ledguerra Wow... lo entiendes, bakan... el 90% no lo entiende.
GauchoViejo +4
Existe un experimento sumamente interesante sobre H2O en estado líquido expuesta a 2 tipos de influencia externa, una negativa y otra positiva, al pasar al estado sólido, los microcristales expuestos a la influencia positiva tenían formas definidas y bellas, mientras que los cristales que se expusieron a una influencia exterior negativa tomaban características deformes y poco definidas. En definitiva influimos a nivel microscópico, por ende esto debe transmitirse al nivel macrocósmico, afectando la realidad con la positividad o negatividad del entorno o de nuestros pensamientos. Muchos créen esto de una u otra manera, de ahí los deseos, las oraciones, etc. dirigidos a alterar acontecimientos comenzando a influír primero sobre una pequeña partícula que luego se transmitirá a escala macrocósmica. Loco no?
GauchoViejo +1
jaja, tenés razón, debería hacer un post !!!
gabriel_gg

link: https://www.youtube.com/watch?v=kjcRUJLeHYA
GauchoViejo
Simplemente genial Gabriel, no en vano dicen que una imagen vale mas que mil palabras, me encantó el efecto de Yesterday, y si el 90% de nuetro cuerpo es agua...da para pensar no? Gracias!