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El experimento físico más hermoso de todos los tiempos

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

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.

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos
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.

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos

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.

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos

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: