Un fenómeno que es imposible… de explicar de forma clásica,
y que contiene en él el corazón de la mecánica cuántica.
De hecho, contiene el único misterio de la mecánica cuántica.
Richard Feynman.
Un mundo de ondas y partículas
En el siglo XIX el mundo se estructuraba en constituyentes bien definidos, estos eran las partículas y las ondas.
Partícula: Sistema físico localizable que tiene una masa definida.
Su característica esencial es que puede colisionar con otras partículas.
En las colisiones hay, generalmente, transferencia de energía y cambios
de dirección en el movimiento de las partículas.
Otro punto importante es que en su evolución sigue un camino
en el espacio que llamamos trayectoria.
Onda: Las ondas son perturbaciones que se propagan con cierta periodicidad. Su característica esencial es que pueden interferir.
Es decir, cuando dos ondas se cruzan se producen zonas donde las ondas se refuerzan y otras zonas donde las ondas se compensan.
Al dejar la zona de interferencia las ondas se siguen propagando como
si nada hubiera ocurrido.
El experimento de la doble rendija pone todo esto patas arriba y destruye nuestra concepción, tan ordenadita ella, de lo que es partícula
y lo que es onda.
Las partículas visitan la doble rendija
Supongamos que tenemos un saco de partículas y hemos puesto una pared con dos rendijas (con la anchura justa para que pase una partícula por ella)
y a una determinada distancia una pantalla donde registraremos los impactos de las partículas que le llegan.
Lo que encontramos es lo siguiente:
Lo que vemos es que las partículas que logran cruzar por alguna rendija colisionan en la pantalla y dejan una marca bien definida.
Nada sorprendente.
Turno de las ondas en la doble rendija
Ahora supongamos que tenemos una fuente puntual que genera una onda. Como sabemos cuando llegue a la doble rendija cada una de ellas se comportará como un nuevo foco de emisión.
Así que detrás de la doble rendija tendremos dos ondas que interferirán.
La pantalla registrará de algún modo la interferencia:
La marca que encontramos en la pantalla es del tipo:
Donde vemos que hay marcas más intensas donde llega las ondas reforzandose intercaladas con marcas oscuras que son las zonas donde las dos ondas interfieren compensándose (lo típico en una interferencia).
Lancemos electrones
Lógico, si tenemos electrones a nuestra disposición lo normal es que los metamos en la doble rendija a ver qué sale.
Lo que uno espera es que el resultado sea el de las partículas.
Para llevar a cabo esto lo que hacemos es poner una pistola de electrones que los dispara de uno en uno. Y vamos viendo lo siguiente:
1.- Cuando llevamos pocos electrones lanzados nuestra pantalla registra impactos. Lógico, estamos tratando con partículas.
2.- Conforme aumentamos el número de electrones lanzados empieza a pasar algo raro. En la pantalla siguen impactando como partículas, se puede ver la marca, pero resulta que lo que nos está saliendo es un patrón de interferencia.
Alguien me puede explicar qué está pasando aquí…
La verdad es que no, que nadie puede.
Lo que estamos viendo es que hay una cosa, el electrón, que inicialmente pensamos que es una partícula y eso se confirma con los impactos
en la pantalla. Sin embargo, luego nos muestra un patrón de interferencia, como si fuese una onda, es decir que en su propagación desde el foco emisor hasta la pantalla ha pasado por las dos rendijas y ha interferido.
Esto pone de manifiesto que las cosas, a ciertos niveles, no son ni ondas ni partículas. Que en realidad esos conceptos no son útiles para explicar el comportamiento de determinados sistemas, aquellos regidos por la mecánica cuántica, así que nos perdemos en cosas como dualidad onda-partícula y otras comeduras de tarro.
Pero es que la cosa se pone más interesante.
Imaginemos que ahora decimos, no pasa nada, yo ahora voy a ver por qué rendija ha pasado el electrón.
Para ello pongo un detector justo detrás de ella. A
hora suponemos que el electrón se comporta como una onda desde que sale del foco emisor hasta la pantalla.
Por lo tanto en la pantalla deberíamos de ver una mancha más o menos continua llena de puntitos de colisiones de electrones.
Sin embargo lo que encontramos es que no hay onda por ningún sitio y sólo vemos una mancha justo en frente de la rendija:
No hay ni rastro del comportamiento ondulatorio.
Es decir, que si nos empeñamos en saber por cuál rendija ha pasado el electrón el patrón de interferencia se pierde.
Esto es alucinante, porque estos bichos se comportan como partículas o como ondas dependiendo del dispositivo experimental al que los enfrentes.
Si quieres estudiar características ondulatorias pues las obtendrás y si quieres estudiar características de partícula también las obtendrás.
Pero jamás podrás diseñar un experimento en el que ambas características se presenten a la vez. Y eso es lo que nos trae de cabeza
con el tema este de la cuántica.
El secreto de la cuántica
Feynman dijo que este experimento contenía todos los secretos de la cuántica por muchas razones.
Enumeraré algunas de ellas:
- En principio nos tenemos que olvidar del concepto de trayectoria.
Si uno deja a los entes cuánticos evolucionar libremente no podemos saber por donde se mueven.
Esto implica que no podemos tener información simultánea de su posición
y su momento (ingredientes básicos para determinar la trayectoria).
Así que en cierto modo ahí tenemos el principio de indeterminación
de Heisenberg.
- Este experimento además demuestra que nuestros conceptos clásicos de partículas y ondas no son absolutos.
La naturaleza nos dice que hay cosas que no son ni ondas ni partículas y que sin embargo si las forzamos experimentalmente a comportarse como ondas o partículas lo harán.
Esta es la base de que podamos usar la ecuación de Schrödinger para describir “partículas” cuánticas.
Dicha ecuación en realidad no es más que una ecuación de ondas.
- En este experimento uno no sabe dónde en qué punto de la pantalla impactará un electrón lanzado a la doble rendija.
Lo que podemos saber es que hay mayor o menor probabilidad de que impacte en una zona u otra (zonas claras o zonas oscuras).
Así que esto nos está diciendo que en el mundo cuántico hemos de olvidarnos de certezas teóricas y hacer predicciones dando la probabilidad de que ocurran varias posibilidades todas ellas permitidas por la física.
Creo que por el momento está bien así.
En breve hablaremos de una diablura de Feynman con la doble rendija.
Les dejo una pregunta:
¿Qué pasa si ponemos tres rendijas, o cuatro….
o infinitas desde el foco a la pantalla?
