El experimento de la doble ranura
(observador y materia)
https://www.youtube.com/watch?v=akL7y_8Og6w
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.
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.
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 muy conocida, 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 ranuras, canicas y ondas
Para comprobar esto que acabamos de comentar imaginemos que tenemos el siguiente dispositivo:
1) Tenemos una pared con dos ranuras.
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 ranura.
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 ranura.
Lanzando canicas
Para comenzar lanzaremos las canicas con tan solo una ranura abierta. Lo que uno encuentra en la pantalla detectora es que las canicas impactan preferentemente enfrente de la ranura por la que las canicas pasan:
Si abrimos las dos ranuras, lo que obtenemos es:
Aquí se indican, con las líneas rojas y verdes, las canicas que han pasado por la ranura 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 ranura, cada una de estas ranura actuará como un foco emisor secundiaro. Por lo tanto se crearán dos ondas que interferirán:
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:
Está claro que este patrón y el producido por las partículas son muy diferentes.
Doble ranura 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. Hay 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:
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 ranura 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 ranuras.
- Sin embargo, se ha comportado como una onda, así que estamos obligados a pensar que ha pasado por las dos ranuras 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 ranuras a la vez?
La respuesta que nos da la cuántica es un magnífico y rotundo 'NO'.
Según la cuántica, si intentamos saber la ranura 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 ranuras 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 ranura 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 diffraction. Roger 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 ranuras, una o ninguna, en tiempo real. Y lo que se encuentra, a pesar de ser lo esperado, no deja de sorprender:
En la esquina superior izquierda se muestra la posición de una pestaña que puede controlar el número de ranuras abiertas. El resultado es espectacular, se ve cómo se forma y se pierde el patrón de interferencia al pasar de una a dos ranuras abiertas y viceversa.
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.
Fin del post.
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