Y el experimento de la doble rendija se hizo realidad

15/05/2013 42 comentarios
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Hace poco se publicó un artículo en el que habían conseguido llevar a cabo el experimento de la doble rendija tal y como lo imaginó Feynman. Este experimento es considerado por muchos como la llave que abre la puerta de los secretos de la cuántica. En esta entrada discutiremos el resultado de este experimento que es absolutamente impresionante.

 

 

La sorpresa de la cuántica

La física cuántica ha supuesto una sorpresa a muchos niveles. Esta teoría nos ha llevado al límite del 'sentido común', nos enfrenta a un universo que se rige por leyes y comportamientos que están muy alejados de cualquier experiencia cotidiana.

En nuestra vida diaria estamos acostumbrados a catalogar las cosas. Una de las clasficaciones que hacemos de los fenómenos físicos es si están formados por partículas o por ondas. De forma breve podríamos definir:

  • Partícula = Objeto diferenciable del entorno al que se le asignan propiedades bien definidas y que ocupa un lugar concreto en el espacio. Una de sus características más representativas es que al colisionar dos de estas partículas alteran su movimiento. Por supuesto, respetando las leyes de conservación pertinentes.

                      Colisiones de partículas

  • Onda = Perturbación que se propaga por un medio o un campo, por ejemplo el electromagnético, con unas características determinadas. Uno de los fenómenos físicos más representativos de las ondas es su capacidad para interferir. Cuando dos ondas se cruzan en una determinada región del espacio se combinan de forma que hay regiones donde se refuerzan y otras donde se suprimen. Esto da lugar a lo que se conoce como patrón de interferencia. Cuando las ondas prosiguen continuan su propagación retoman sus propiedades previas a la interferencia.
             Interferencia de ondas.
En cuántica, los sistemas no se pueden catalogar según esta clasificación. Un mismo sistema puede tener comportamientos ondulatorios o de partícula. Esto es lo que nos dice la archiconocida, y muchas veces mal interpretada, dualidad onda-partícula.
 
Se puede considerar que esta dualidad está en la base de todas las sorpresas cuánticas. En un sentido histórico, éste hecho fue el culpable del desarrollo de toda la teoría cuántica posterior.
 

Dobles rendijas, canicas y ondas

Para comprobar esto que acabamos de comentar imaginemos que tenemos el siguiente dispositivo:

  1. Tenemos una pared con dos rendijas.
  2. A cierta distancia ponemos una pantalla que nos servirá como detector.
  3. Disponemos de un dispositivo que lanza canicas en distintas direcciones. Estas canicas tienen el tamaño justo para pasar por la rendija.
  4. Además, tenemos un sistema que genera ondas.
Lo que vamos a hacer es estudiar el comportamiento de ondas y partículas en este sistema de doble rendija.
 
Lanzando canicas
 
Para comenzar lanzaremos las canicas con tan solo una rendija abierta. Lo que uno encuentra en la pantalla detectora es que las canicas impactan preferentemente enfrente de la rendija por la que las canicas pasan:
 
                          Partículas por una rendija. 
Si abrimos las dos rendijas, lo que obtenemos es:
 
                           Partículas doble rendija.
Aquí se indican, con las líneas rojas y verdes, las canicas que han pasado por la rendija 1 y 2. La línea azul es la suma de ambas contribuciones. Este es el perfil que obtendríamos al graficar el número de impactos en cada posición de la pantalla.
 
Lanzando ondas
 
Ahora emplearemos el generador de ondas. Cuando estas llegan a la doble rendija, cada una de estas rendijas actuará como un foco emisor secundiaro. Por lo tanto se crearán dos ondas que interferirán:
 
                          Interferencia ondas, doble rendija.
En la pantalla detectora veremos como hay regiones con mucha intensidad (interferencia constructiva de la ondas) y otras regiones con poca intensidad (interferencia destructiva de las ondas).  Esto es lo que llamamos patrón de interferencia.
 
Si queremos graficar este patrón, la figura que obtenemos es:
 
          Patrón de interferencia
 
Está claro que este patrón y el producido por las partículas son muy diferentes.
 

Doble rendija a lo cuántico

Supongamos ahora que repetimos este experimento pero lanzando electrones. Los electrones son partículas elementales que se han de describir según las leyes de la mecánica cuántica. Para realizar el experimento seguiremos las siguientes pautas:

  1. Lanzaremos un electrón y esperaremos a que llegue a la pantalla detectora.
  2. Seremos cuidadosos de no tener nunca más de un electrón en vuelo.
Estos experimentos ya han sido realizados. Os dejo una referencia clásica al respecto.
 
Donati, O, Missiroli, G F, Pozzi, G (1973). An Experiment on Electron Interference. American Journal of Physics 41:639–644 doi:10.1119/1.1987321
 
Siguiendo estas simples reglas obtenemos lo siguiente:
 
                             Doble rendija con electrones.
 
  1. Lo primero que vemos es que los electrones llegan a la pantalla y colisionan con ella en regiones localizadas. Esto nos lleva a pensar que se comportan como electrones.
  2. Si dejamos que el experimento avance, conforme se van acumulando tales colisiones vemos algo asomboroso. Se comienza a formar un patrón de franjas con áreas de mucha intensidad y areas de poca intensidad. Estamos recostruyendo un patrón de interferencias. Parece lógico que el electrón, cuando ha estado en vuelo desde las rendijas hasta la pantalla, se ha comportado como una onda.
Aquí tenemos el meollo de la cuestión. Los electrones forman un patrón de interferencia (ondas) y colisionan con la pantalla en puntos localizados (partículas).
 
Pero aún hay más. En este experimento se ponen sobre la mesa una serie de cuestiones:
 
  • Solo hay un electrón en vuelo en cada impacto en la pantalla. Podríamos suponer que ha pasado por una de las dos rendijas.
  • Sin embargo, se ha comportado como una onda, así que estamos obligados a pensar que ha pasado por las dos rendijas a la vez.
  • Mientras que se desarrolla el experimento no podemos determinar la trayectoria que sigue un electrón dado.
¿Podemos determinar si un electrón pasa solo por una o por ambas rendijas a la vez?
 
La respuesta que nos da la cuántica es un magnífico y rotundo 'NO'.
 
Según la cuántica, si intentamos saber la rendija por la cual pasa un electrón o seguir su trayectoria el patrón de interferencia desaparece.  De hecho, si en mitad del experimento tapamos una de las rendijas el patrón de interferencia desaparece. 
 
Esto implica que la naturaleza se niega a decidirse entre ondas y partículas, esa es una clasificación que hemos hecho nosotros.  Si forzamos el experimento para saber la trayectoria o la rendija por la que pasa un electrón se pierde el patrón de interferencia. Así que, si queremos identificar propiedades de partículas las encontraremos, pero el precio a pagar es perder las características de onda del sistema bajo estudio.
 

¿Qué han hecho en el nuevo experimento?

El 13 de marzo (2013) se publicó el siguiente artículo:

Controlled double-slit electron diffractionRoger Bach et al 2013 New J. Phys. 15 033018

En este artículo se describe cómo por primera vez era posible observar qué pasa cuando tapas dos rendijas, una o ninguna, en tiempo real. Y lo que se encuentra, a pesar de ser lo esperado, no deja de sorprenderme:

 

             Doble rendija en tiempo real.

En la esquina superior izquierda se muestra la posición de una pestaña que puede controlar el número de rendijas abiertas. El resultado es espectacular, se ve cómo se forma y se pierde el patrón de interferencia al pasar de una a dos rendijas abiertas y viceversa.

Señores y señoras, esto es cuántica en estado puro.

Concluyendo

La cuántica nos ha ofrecido muchas sopresas y muchos dolores de cabeza, y estoy seguro de que seguirá así por mucho tiempo. Sin embargo, en pleno siglo XXI la cuántica foma parte de nuestras vidas y pasa de forma totalmente desparcibida. Sin mucho exagerar, se puede decir que todas las tecnologías de los últimos 60 años están relacionadas de un modo u otro con la cuántica. Podríamos hablar de la importancia de la cuántica en la establidad de la materia, el origen del universo, etc. Pero gracias a la cuántica supimos manejar semiconductores, lo que nos llevo a una revolución en la electrónica. También gracias a ella podemos hacer cosas tan cotidianas como calentar nuestra leche en el microondas en cada desayuno. Cosas como los PET o las resonancias magnéticas no hubieran llegado a nuestros hospitales sin haber entendido la naturaleza cuántica de las cosas.

Está claro que no tiene sentido que todos seamos doctores en física, y sería muy aburrido, pero a estas alturas una formación científica solvente asegura poder entender el desarrollo y evolución de nuestra sociedad. Además de que nos protege contra los nuevos magos que se están revistiendo de palabrejas cientifoides para embaucar a los que no poseen información al respecto.

Todos somos capaces de entender la cuántica en especial y la física en general. No hace falta controlar todos los aspectos técnicos y matemáticos, pero es importante quedarse con la idea y sorprenderse de lo asombroso que es este universo que nos cobija. Una buena información científica nos asegurará estar mejor preparados para el futuro que está por llegar.

Nos seguimos leyendo...