El experimento de la doble rendija 👽

La primera entrada de este blog la voy a dedicar a una de las experiencias más reveladoras, pero también más desconcertantes, que vivó Thomas Young, un científico del siglo XIX: el experimento de la doble rendija. Después de leer la entrada, comprenderás que dicho experimento no solo es crucial para entender la naturaleza ondulatoria de la materia y sus propiedades, sino que se plantean importantes cuestiones que, actualmente, son objeto de estudio tanto de físicos, como de matemáticos y filósofos.

DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA

El siglo XX está marcado por la gran revolución de la mecánica cuántica, una nueva teoría que supuso un cambio radical en la forma de entender el universo y su comportamiento, pues esta proponía dar un enfoque puramente probabilístico a los fenómenos físicos que ocurrían en la naturaleza, en contraposición con la física clásica.

Max Planck y Heissenberg son ejemplos de grandes científicos que participaron en la construcción de esta nueva teoría. Sin embargo ahora conviene hablar de Luis De Broglie, quien introdujo por primera vez en su tesis doctoral el fenómeno cuántico de dualidad onda-partícula, por el cual ciertas partículas (como las subatómicas) exhiben comportamientos ondulatorios y, recíprocamente, algunas ondas parecen comportarse como partículas sólidas. El ejemplo más relevante de esto último es la luz, que a grandes escalas puede estudiarse por medio de la teoría clásica de ondas electromagnéticas, pero a escalas minúsculas está compuesta de unas partículas denominadas fotones.

Posteriormente, Roger Penrose aportó sutiles cambios a este concepto, apoyándose en la función de onda de Schrödinger y el estudio de su colapso (esenciales para entender el tema central de este artículo), con el objetivo de describir mejor este fenómeno.

PLANTEAMIENTO DEL EXPERIMENTO

Una vez contextualizado el experimento, realicémoslo (de forma conceptual y obviando los detalles técnicos):

Esencialmente el campo de trabajo consta de dos cajas con una rendija separadas entre sí a una distancia d (denominémoslas como caja 1 y caja 2), una pantalla detectora situada justo enfrente de las cajas y una máquina del azar, un depósito de átomos que de forma aleatoria coloca un átomo en una de las cajas. El experimento consta de 3 fases y el objetivo es detectar la posición del átomo y comparar los resultados:

FASE 1: Se activa la máquina del azar y esta deposita un átomo en alguna de las cajas. En primer lugar, abrimos la rendija de la caja 1 (mientras que la otra está cerrada). Si el átomo se encuentra ahí, saldrá disparado hacia la pantalla detectora, que señala el lugar donde este impactó. En caso contrario, se abre la rendija de la caja 2 y el átomo entonces impacta. Así se obtiene el patrón 1 de la figura después de numerosos intentos.

FASE 2: La máquina del azar entra en funcionamiento, pero esta vez las rendijas de ambas cajas van a abrirse a la vez. Tras varios intentos, los impactos de los átomos en esta fase, inesperadamente, corresponden al patrón 2 de la figura 1, muy distinto al patrón 1.

FASE 3: Se trata de repetir la fase 2 pero esta vez con detectores de átomos entre las cajas y la pantalla, para saber de dónde procede cada átomo y así explicar el patrón anterior. Pero algo extraño ocurre: intentos después, cuando parecía que el mundo recobraba el sentido, el patrón obtenido es exactamente igual al obtenido en la fase 1.

¿Qué está ocurriendo? Tanto en la fase 1 y 3, el experimento deja claro que el átomo procede de una de las cajas, pero en la fase 2 parece intuirse un comportamiento conjunto de ellas para formar el patrón 2, es decir, el átomo parece estar en dos sitios al mismo tiempo (ni dividido por la mitad, ni duplicado, el mismo), pues dicho patrón no es una suma de dos subpatrones, uno correspondiente a cada caja, como sí lo es el patrón 1. 

  

LA FUNCIÓN DE ONDA DE SCHRÖDINGER

En 1925, Schrödinger desarrolló la ecuación que lleva su nombre y que describe la evolución a lo largo del tiempo de una partícula con propiedades ondulatorias. Mediante su función de onda (de interpretación probabilista), este experimento puede explicarse fácilmente: La máquina del azar sitúa la función de onda del átomo confinada entre las dos cajas. En la fase 1 la función de onda se libera de una de las cajas y colapsa cuando se intenta medirla, en este caso en la pantalla. Es como si se propagase una sola onda. Pero en la fase 2, la función de onda se libera de forma simultánea desde dos puntos distintos. El patrón obtenido en la pantalla corresponde, pues, con las interferencias entre dos ondas emitidas desde dos puntos equidistantes. ¿Y la fase 3? El detector juega en este caso un papel fundamental. Al obligar al átomo a tomar una posición concreta, la función de onda colapsa en mitad del trayecto y a partir de ese punto, el experimento (y por tanto la propagación de, ahora una onda) es idéntico a la fase 1.  

 

ALGUNAS PREGUNTAS

Este resultado da lugar a muchas cuestiones: ¿debe tomarse la ecuación de onda como una realidad o solo como una buena herramienta matemática?, ¿está realmente el átomo en las dos cajas al mismo tiempo? Y, lo más desconcertante, ¿qué significa realmente medir? ¿Cómo podrían interactuar objetos de las grandes escalas, como el detector, con partículas subatómicas? Es decir, ¿midiendo alteramos la estructura del mundo subatómico, de naturaleza indeterminada y probabilística? Lamentablemente aún no existen respuestas a estas preguntas y ni siquiera se puede trabajar con estos resultados de forma directa por no saber qué sucede realmente. Es por ello que la mecánica cuántica debe estudiarse desde las distintas interpretaciones filosóficas (la más extendida es la de Copenhague), que intentan dar sentido físico a todas estas entidades matemáticas con el fin de descubrir qué hay detrás de todos estos fenómenos físicos.

REFERENCIAS

El Enigma Cuántico, Bruce Rosenblum y Fred Kuttner

El tejido del cosmos, Brian Greene

AUTORA

Paola Diago

Con este artículo participé en el XI Concurso de Divulgación Científica de la UCM realizado en 2022