El experimento de la doble rendija de Young y su explicación

Si existe un experimento que contradiga nuestra lógica de una forma clara hasta el punto de parecer magia o incluso sentir que estamos siendo engañados, ése es el de la doble rendija de Young. Para que se hagan una idea de la belleza de este experimento, la revista PhysicsWorld publicó a sus lectores cuál les parecía el experimento más elegante de todos los tiempos. Y el ganador fue el experimento de la doble rendija (Crease, 2002).

Es un experimento extremadamente desconcertante y ya les adelanto que no hay ni magia ni engaños: la naturaleza es así de caprichosa cuando la miramos en el dominio subatómico donde la cuántica reina. Este experimento se lleva realizando desde 1801 y se le han aplicado numerosas variables. Sin embargo, sus resultados son siempre equivalentes lo que demuestra que estamos ante una evidencia y no ante un resultado casual.

Young y la punta del iceberg

Ya se trate del experimento original de Thomas Young o cualquiera de las variantes que se han ejecutado, los resultados nos ofrecen conclusiones similares si bien es cierto que Young no desveló más que la punta del iceberg. Quiso demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz y lo consiguió. Recuerden: hablamos de 1801. Las bases de la cuántica las sentó Max Planck en 1900 y hasta 1924 no se habló de la «dualidad onda-corpúsculo». Tres años después, Heisenberg habló de su Principio de Indeterminación.

experimento original
Plantemiento clásico de la doble rendija propuesto por Thomas Young || Fuente: The Mysearch Website (Ver).

Thomas Young abrió una puerta que conduce directamente al corazón de la mecánica cuántica sin ni siquiera saberlo. Demostró que la luz se comportaba como una onda. Pero, con ciertas variantes podemos afirmar que la luz se comporta como un corpúsculo o partícula. Y da igual a qué apliquemos el experimento. Si estamos en el dominio de la cuántica obtendremos resultados similares. Podemos aplicarlo a los fotones que conforman la luz, pero también a partículas subatómicas como los electrones, protones o neutrones.

Dicho esto, les propongo un viaje a lo más profundo de la materia, a la naturaleza cuántica de nuestro mundo donde nuestra lógica no tiene sentido. Y nuestros compañeros de viaje serán electrones. Acompáñenme…

El experimento clásico de Young

Comenzaremos nuestro viaje con el planteamiento original de Young. Es sencillo y lo podrán replicar en casa. Verán: En una cámara oscura se introduce una fuente de luz y por un pequeño orificio se deja escapar un pequeño haz que es dirigido hacia un obstáculo a modo de tarjeta. El obstáculo de Young medía 0,2 mm de grosor aproximadamente y el haz era mayor que ese grosor en el momento del impacto. La consecuencia es que el haz queda dividido en dos.

En la pared se proyecta el resultado del haz dividido. Tal y como predijo Young, se muestra un patrón de interferencia debido a que la luz al verse dividida genera dos frentes de onda que interfieren entre sí. De comportarse como una partícula o corpúsculo, tan solo se verían dos grandes acumulaciones y no habría interferencia, ¿verdad?

onda o particula
(Izq) Comportamiento corpuscular en la doble rendija. (Dcha) Comportamiento ondulatorio en la doble rendija || Fuente: Blog del Instituto de Matemáticas de la Universidad de Sevilla (Ver).

Experimentos modernos de la doble rendija

Ahora debo pedirles que se olviden de su lógica y de su sentido común porque no los van a necesitar. Abran su mente porque entramos de lleno en el mundo de la cuántica. Y para ello vamos a realizar una de las variables del experimento de la doble rendija de Young.

Ya les adelanté que nuestras compañeros de viaje serían los electrones, partículas subatómicas de carga negativa que giran alrededor del núcleo atómico. Son fáciles de extraer y de detectar. Es por eso que usaremos esas partículas. ¿Qué necesitamos? Este es el material que dispondremos en nuestro experimento:

Material necesario

  • Una máquina de azar emisora de electrones.
  • Dos cajas opacas con una abertura cada una.
  • Dos detectores de electrones.
  • Una pantalla de detección.

Planteamiento del experimento

Nuestra máquina de azar será quien emita los electrones. Y lo hará de uno en uno: cada vez que accionemos el pulsador nos ofrecerá uno y solo un electrón. Además, la máquina al ser de azar nos situará el electrón disparado en una de las dos cajas a través de un conducto.

La abertura de cada caja la podremos controlar a voluntad. Por eso podremos tener las dos abiertas, las dos cerradas o tener abierta tan solo una, la que nosotros queramos. A cada caja también podremos acoplar un detector de electrones. Si lo activamos nos dirá si en la caja en cuestión hay un electrón o no sin necesidad de abrir la caja.

electron
Átomo de hidrógeno observado con un microscopio cuántico donde las regiones en azul claro indican las zonas de mayor posibilidad de encontrar un electrón || Fuente: Muy Interesante (Ver).

Por último, la pantalla mostrará los lugares de impacto de los electrones que salgan despedidos de las cajas. Así, la pantalla reflejará los impactos individuales y podremos obtener un patrón de impacto cuando realicemos múltiples eventos.

Experimento 0: Demostrando el azar.

En primer lugar debemos asegurarnos que nuestra máquina de azar funciona. Por lo tanto, ante un gran número de eventos el patrón de impactos en la pantalla mostrará que aproximadamente la mitad de los electrones procede de una caja y la otra mitad de la otra. Procedemos de la siguiente manera:

  1. Pulsamos nuestra máquina de azar y se emite un electrón.
  2. Encendemos el detector de la primera caja. Nos indica que no está ahí.
  3. El electrón estará en la caja B. Encendemos el detector de esa caja y efectivamente, nos indica que está ahí.
  4. Abrimos los orificios de las dos cajas y el electrón escapa e incide en la pantalla marcando el lugar de impacto.

Repetimos el proceso un gran número de veces y en la pantalla podemos observar el patrón de impactos. Claramente se corresponde con las salidas de cada caja. Las dos grandes regiones son aproximadamente del mismo tamaño por lo que nuestra máquina de azar funciona.

experimento 0
Experimento 0 (Ampliar).

Este patrón de impacto nos indica qué probabilidad existe de que un electrón impacte en una zona concreta de la pantalla dependiendo de qué caja provenga. Nuestra lógica parece funcionar.

Experimento 1: La lógica persiste

Una vez que sabemos que nuestra máquina de azar funciona, vamos a realizar otra tanda de eventos de la siguiente manera:

  1. Abrimos los orificios de las cajas y los mantenemos abiertos durante todo el proceso.
  2. Encendemos el detector de electrones de cada caja y los mantenemos activos durante todo el proceso.
  3. Pulsamos nuestra máquina de azar y no volvemos a pulsarla hasta que el electrón quede reflejado en la pantalla.

Sabiendo que nuestra máquina de azar funciona, es lógico pensar que obtendremos lo mismo que en el experimento 0. ¿Qué es lo que obtenemos? Esto:

experimento 1
Experimento 1 (Ampliar).

Efectivamente obteniemos lo esperado. Dos grandes concentraciones de impactos que se corresponden con la salida de cada una de las cajas. Todo en orden. Nuestra lógica funciona.

Experimento 2: ¿Qué ocurrirá ahora?

Vamos a realizar el experimento anterior introduciendo una pequeña variante: apagaremos los detectores de electrones de ambas cajas durante todo el proceso para no saber de qué caja procede cada electrón. Procedemos de la siguiente manera:

  1. Abrimos los orificios de las cajas y los mantenemos abiertos durante todo el proceso.
  2. Apagamos los detectores de electrones de las cajas y los mantenemos desactivados durante todo el proceso.
  3. Pulsamos nuestra máquina de azar y no volvemos a pulsarla hasta que el electrón quede reflejado en la pantalla.

Tan solo hemos cambiado la detección en las cajas con respecto al experimento anterior. Todo apunta a que el resultado que deberíamos obtener el mismo que en los experimentos 0 y 1. Así que tras repetir el proceso varias veces, ¿qué obtenemos? Ante nuestra sorpresa no aparecen las dos grandes acumulaciones que obtuvimos antes. A cambio, obtenemos lo siguiente:

experimento 2
Experimento 2 (Ampliar).

Interpretación del experimento 2

Lo que se muestra en la imagen es un claro patrón de interferencia. Y dado que tan solo tenemos un electrón en vuelo al mismo tiempo, la única explicación es que el electrón salga de las dos cajas a la vez e interfiera consigo mismo. O dicho de otra forma, un único electrón se encuentra en las dos cajas a la vez.

Entonces, ¿el hecho de medir la posición del electrón, puede afectar al resultado? La respuesta es sí. ¿Cómo sabe el electrón que lo estamos midiendo? Y lo que es más sorprendente: ¿cómo puede un electrón estar en dos sitios a la vez? Para responder a eso, debemos recurrir a la física cuántica. Y les adelanto que existe explicación.

Explicación del experimento

La mecánica cuántica nos ofrece una solución a este experimento. Según la mecánica cuántica, si no tomamos medidas en las cajas, el electrón se encuentra en las dos cajas a la vez, mientras que si medimos, pasamos a tenerlo tan solo en un lugar. A modo de aclaración: si medimos una caja y el detector nos dice que no está, por descarte ya sabemos dónde se encuentra el electrón y la medida es válida. Es decir, un resultado de «aquí no está» es una medida válida. Otra cosa es que tengamos tres cajas y en una de ellas sepamos que no está.

Dualidad onda-corpúsculo

Incidiendo más en el planteamiento podemos resumirlo de la siguiente manera: cuando nuestra máquina de azar y nuestra pantalla liberan y recogen al electrón, respectivamente, se comporta como una partícula. Pero cuando se propaga lo hace como una onda. Entonces, ¿dónde está el electrón durante la propagación? Se encuentra a lo largo de toda la perturbación ondulatoria que produce.

Por lo tanto, si el electrón se comporta como una onda y atraviesa una doble rendija, en los huecos de las rendijas surgirán nuevas ondas que interferirán entre ellas y a partir de ahí crearán el patrón de interferencia que hemos visto en el experimento 2.

El secreto está en medir la posición

Tras impactar en la pantalla estamos midiendo la posición del electrón, que es lo que hacíamos en las cajas. Con esto, y según el Principio de Indeterminación de Heisenberg, al conocer la posición del electrón técnicamente se dice que la función de onda colapsa. En ese momento el electrón deja de ser una onda para pasar a ser una partícula.

funcion de onda
Infografía que muestra la dualidad onda-partícula de un fotón || Créditos: S. Tanzilli, CNRS; Fuente: SciTechDaily (Ver).

En el caso de la pantalla, al colapsar la función de onda ya se ha producido la interferencia y por eso aparece. En el caso de medir en la caja, cuando colapsa la función de onda todavía no se ha producido esa interferencia y es por ello que no vemos el patrón de interferencia sino dos grandes glóbulos de impactos.

Y todo esto sucede porque este tipo de comportamiento, el del electrón o el de cualquier partícula subatómica, está sujeto a la mecánica cuántica y no a la mecánica clásica. Por así decirlo, la mecánica clásica explica el comportamiento de lo macroscópico y la mecánica cuántica explica el comportamiento de lo microscópico.

El ejemplo del estanque y la piedra

Un ejemplo que sirve a modo de comparación, salvando las distancias, es cuando lanzamos una piedra a un estanque. En el momento de lanzar la piedra, es una partícula. Cuando toca la superficie del estanque, la piedra genera una onda. Podemos poner rendijas y otros obstáculos y tendrá efectos muy similares a los que produce el electrón en «modo onda».

onda
Onda de agua || Fuente: Pixabay (Ver).

Aquí la pantalla sería el fondo del estanque pero ya no sería válida la comparación porque podremos localizar dónde ha caído nuestra partícula pero las ondas en la superficie no habrán cesado todavía si el estanque no es muy profundo.

Conclusiones

Con el experimento de la doble rendija hemos demostrado que a nivel subatómico la materia se comporta de manera distinta a como lo hace a nivel macroscópico. Y este experimento es capaz de desvelar dos de las más grandes y desconcertantes verdades de la naturaleza cuántica de la materia:

  1. A escala subatómica las partículas tienen un comportamiento dual. Es decir, la materia se comporta como una onda o como una partícula.
  2. El hecho de observar o no el experimento hace que la materia se comporte como una onda o como una partícula.

A pesar de que me haya quedado un texto más largo de lo habitual, espero que les haya ayudado a comprender este experimento que nos mete de lleno en el mundo de la cuántica. Tan solo hay que cambiar el chip para comprenderlo porque como les dije al principio, nuestra lógica no funciona en el mundo de lo cuántico.

Referencias

  • Crease, R. (2002). «The most beautiful experiment…». PhysicsWorld (Ver).
  • Fernández-Borja, E. (2013). «Y el experimento de la doble rendija se hizo realidad». Investigación y Ciencia (Ver).
  • Gulis, M. (2015). «El experimento físico más hermoso de todos los tiempos: la doble rendija». Ciencia para Llevar (Ver).
  • Liu, X-J. et al (2015). «Einstein–Bohr recoiling double-slit gedanken experiment performed at the molecular level». Nature Photonics, 9, pp. 120 – 125. DOI: 10.1038/nphoton.2014.289 (Ver).

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