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

Por Mar Gulis (CSIC)

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.

Láser difractado usando rendija doble. Foto tomada en el laboratorio de óptica de la facultad de ciencias de la UNAM. / Lienzocian (CC-BY-SA)

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.

Ondas

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:

Interpretaciones de la mecánica cuántica más recientes, como la propuesta por David Bohm (1917-1992), 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

  1. Dice ser ojovaguito

    me ha gustado mucho como esta planteado el texto, gracias

    12 noviembre 2015 | 13:23

  2. Dice ser Sociólogo Astral

    mmmm, las dos rendijas, como me gustan.

    12 noviembre 2015 | 19:15

  3. Dice ser gerrit

    No son los particulos que estan en dos estados. Son los dos differentes maneras de medir.
    La luz no va como hoy en dia se piensa recta, la luz se mueve como un espiral.
    la metodo de observacion que utiliza la luz lleve en si la ondulacion.

    Ese es que tofavia nadie sabes.

    12 noviembre 2015 | 21:33

  4. Dice ser dedeede

    Una vez superada la tontería geocéntrica de lo scometas regando con agua el planeta, superada también la otra tontada de no pensar en la inestabilidad de placas tectónicas con el consiguiente ardor volcánico destructor de vida, ejemplo dinosaurios, posterior a un impacto externo que no diode golpe contra esponja, que no… superadas las cosas locas de continentes sumergidos e islas que aparecen y desaparecen… queda por investigar, entre otras cosas, cómo conseguir que el cerebro humano supere las fronteras heredadas y se destierren tradiciones de obra y pensamiento contrarios a la dignidad y razón humanas. Un planetita guapo, libre en toda latitud y longitud habitada.

    12 noviembre 2015 | 22:38

  5. Dice ser Paldiego

    David Bohm (1917-1922)

    Solo vivio 5 años y le dio tiempo a entender e interpretar la doble rendija… como desaprovecho mi tiempo

    13 noviembre 2015 | 08:13

  6. Dice ser marko

    Si lo he entendido bién, las propias carácterísticas del experimento de la rendija interfieren con el principio de incertidumbre de Heisemberg, ergo, los resultados no son REALES.

    O sea, que no puede ser demostrado experimentalmente, físicamente, es una teoría y no NECESARIAMENTE, existe la dualidad partícula – onda, sino que es una interpretación, una alucinación.

    13 noviembre 2015 | 10:05

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