La doble rendija (y II)

Para comprender bien este artículo es conveniente que hayas leído antes nuestro especial sobre el átomo (I, II y III) y la primera parte sobre la doble rendija.

Hola de nuevo. Bienvenidos a un nuevo artículo de física cuántica en Electrones Excitados, la web en la que cada vez sabemos más y entendemos menos. Los demás redactores me han dicho que no juegue con vuestra salud mental y me piden artículos sencillos para no perder lectores por implosión cerebral, pero hoy le voy a hacer menos caso que de costumbre, y vamos a meternos de lleno en el meollo de la cuestión. Si no te has leído el resto de artículos de cuántica, igual éste te resulta algo confuso (si algún físico me lee, se indignará de la simplificación que realizo, pero ya habrá tiempo para ir precisando términos).

En el artículo anterior veíamos cómo los físicos en 1900 habían bombardeado una doble rendija con electrones disparados uno a uno y de cómo éstos, inexplicablemente, se habían comportado como si fueran una onda, cosa que sólo podía pasar, paradójicamente, si eran disparados a chorro o en masa. La tercera fase del experimento consistió en colocar un observador, es decir, algo que permitiera ver qué pasaba cuando el electrón disparado por el cañón de partículas llegaba a la doble rendija. El electrón podía elegir el camino de la rendija uno o la rendija dos, sólo uno de ellos. A partir de aquí me vais a perdonar, la cosa se vuelve complicada y apasionante.

Lo que pensaron entonces era que también podría estar pasando que el electrón eligiera los dos caminos a la vez. Pensaban que el electrón debía interferir con algo para dibujar un patrón de interferencia, y ese algo sólo podía ser… él mismo. Con esto se refieren a que de alguna manera, el electrón se dividía antes de las rendijas, pasaba por ellas y luego las dos partes chocaban al otro lado, y en éste choque, se comportaba como onda y dibujaba el patrón de interferencia. Era descabellado, pero no se lo podían explicar de otra forma y para comprobar eso era necesario observar directamente al electrón cuando pasaba por las rendijas. Pero oh sorpresa. Cuando se modificó el experimento y se introdujo un instrumento de medición que describiera el camino que hacía el electrón, o sea cuando se lo observó, el electrón… dejó de dibujar un patrón de interferencia. Sólo por ser observado.

De locura. Eso significa ni más ni menos que la naturaleza de la materia es ambigua del todo, y he aquí el quid de la cuestión. Las partículas se comportaban a veces como ondas, estaba claro. Pero la famosa dualidad onda-corpúsculo no era una cuestión de que la materia fuera ambas cosas, sino de que la materia a veces mostraba comportamiento de onda y otras de partícula pero cómo se comportaba dependía del tipo de experimento, y lo que es peor, no se podía diseñar un experimento que mostrara ambas cosas.

¿Demasiado meollo en la cuestión? Intentaré explicarme. Si decimos que algo es una onda o un corpúsculo, no nos estamos refiriendo a si son puntitos o si son contracciones y dilataciones de algo, sino que nos referimos simplemente a lo que vemos que hacen. Los puntos en la pared del experimento de la doble rendija no son los electrones, sino el efecto del electrón, sea lo que sea, en una pared sensible a su energía. Y eso es lo que vemos: efectos. Quedaos con ésta conclusión: podemos experimentar con la materia, pero los experimentos en sí, nos muestran efectos propios de la idea de onda o de la idea de cuerpo, lo que quiere decir que la materia no es exactamente ninguna de las dos cosas. Ya no podemos decir que es las dos cosas, ni que a veces es una y otras veces otra. Y existen experimentos de los que hablaremos más adelante que demuestran que una manera u otra de observar la luz o las partículas provocan que veamos “ondas” o veamos “partículas”. Esa naturaleza ambigua de la materia es lo que los científicos explicaron como que el electrón “se dividía” antes de la rendija. Eso es porque el electrón no es una partícula que oscile como una onda, sino que el electrón es una oscilación, que como tal, puede pasar por ambos lados y llegar al otro lado como puede llegar una onda.

En sucesivos artículos intentaremos desarrollar más éstas ideas, para comprender qué es lo que pasa con el electrón en la doble rendija, pero ya os adelanto que aunque existen algunas ideas fijas sobre el comportamiento de la materia no todo el mundo está de acuerdo en lo que son las cosas. Como ya decimos en Electrones, sabemos muchas cosas, pero no entendemos nada de nada.

 

La doble rendija

¡Hola hola! Después de casi 2 meses, traemos otro artículo de cuántica a Electrones Excitados. Hoy vamos a hablar del experimento más famoso de la historia de la cuántica (¡qué exagerado soy!), y uno de mis preferidos. Junto al artículo sobre el efecto fotoeléctrico, el tema de hoy es el que más nos ayudará desarrollar un concepto intuitivo sobre la física cuántica y sus locuras. Se trata del experimento de la doble rendija. Hoy aún pierdo noches de sueño pensando en él, y no soy el único…

Vamos allá. Espero recordéis artículos anteriores en los que hablábamos de la famosa dualidad onda-corpúsculo: las ondas se comportan como cuerpos, y los cuerpos como ondas. Sí bueno, diréis, pero ¿eso de dónde sale? Pues de fenómenos como el de éste experimento. En 1801, Thomas Young hizo lo siguiente. Colocó una fuente de luz, y al lado una lámina opaca (S1) con una rendija muy delgada (a), que al ser atravesada por la luz, actuaba como foco de ondas. Esas ondas se propagaban hasta un segundo panel (S2), en el que Young había puesto dos rendijas juntas (b y c), por lo que la cuestión quedaba así:

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Eso hacía que, mediante una propiedad de la superposición de las ondas, al proyectarse al mismo tiempo las ondas que venían por b ya las que venían por c en el panel F, debiera resultar lo que se llama un patrón de interferencia. Consiste en unas bandas de intensidad que tienen ésta forma:

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Ese patrón, de proyectarse en la pared, demostraría que efectivamente, la luz es una onda o bien, lo que es casi lo mismo, hace la clase de cosas que hacen las ondas. Y efectivamente así era. Muchos científicos entonces pensaron que lo que pasaba era que en realidad, la luz estaba compuesta por partículas, por fotones, como decía Einstein y que todos juntos en tropel se comportaban como onda, igual que las moléculas de agua hacen ondas, así que el experimento no tenía por qué demostrar nada más allá de que la luz se comportaba como una onda.

En 1961 el experimento volvió a realizarse. Ésta vez la tecnología permitía disparar chorros de electrones, es decir partículas. Como eso ya no eran ondas, lo que se esperaba es que al pasar el chorro de electrones por la doble rendija, unos pasaran por una y otros por otra, de tal forma que se dibujarían dos bandas en la pared, una por cada rendija. Lógico.

Pues no. Lo que se proyectó fue… un patrón de interferencia. “No es tan raro”  -se dijeron- “como habíamos predicho, las partículas todas juntas se comportan como onda, interfiriendo unos con otros, y formando un  patrón de interferencia, eso lo explica todo.”

En efecto, queridos lectores, eso lo explicaba todo. Sólo que no era lo que pasaba. Lo descubrieron cuando repitieron el experimento, pero ésta vez, lanzando electrones uno a uno en vez de lanzarlos a lo loco. Así suponían que cada electrón escogería pasar por la rendija b o la rendija c, no habría electrones con los que chocar, y se dibujaría, por fin, las dos bandas esperadas en el experimento anterior. Pusieron la máquina en marcha que lanzó un electrón, y se proyectó en la pared. Lanzó luego otro, más tarde otro, y otro, y otro… se fueron a tomar café, y lo dejaron lanzando electrones, como si fuera una máquina de lanzar pelotas de tenis. Cuando volvieron se habían proyectado unos cuantos cientos de miles… y habían dibujado… ¡un patrón de interferencia! No tiene sentido, si lo pensáis. Para que se dibuje el patrón, es necesario que las partículas choquen unas con otras… pero ¿cómo era posible que los electrones uno a uno dibujaran un patrón? Nuestros científicos estaban al borde del colapso.

Os emplazo la próxima entrega de cuántica en Electrones Excitados. Estad preparados, porque os voy a contar como repitieron el experimento, pero para saber bien qué había ocurrido, nuestros científicos se trajeron el café hecho al laboratorio, para no perder de vista los electrones cuando pasaban por la rendija. Lo que vieron entonces… lo sabréis en la próxima entrega.

Editamos para añadir las imágenes, que no se mostraban correctamente. Mil disculpas.