Física Cuántica

El Experimento de la Doble Rendija

By 13 febrero, 2018 No Comments

En el siglo V a.C., Empédocles postuló que todo estaba compuesto de cuatro elementos; fuego, aire, tierra y agua. Él creía que Afrodita hizo que el ojo humano saliera de los cuatro elementos y que encendió el brillo del fuego en nuestros ojos, haciendo que la vista fuera posible. Si esto fuera cierto, entonces uno podría ver tanto durante la noche como durante el día, por lo que Empédocles postuló una interacción entre los rayos de nuestros ojos y los rayos de una fuente luminosa como el sol.

Alrededor del 300 a. C., Euclides escribió Óptica, en el que estudió las propiedades de la luz. Euclides postuló que la luz viajaba en línea recta y describía las leyes de la reflexión y las estudiaba matemáticamente. Cuestionó que la vista es el resultado de un rayo del ojo, ya que preguntó cómo se ven las estrellas de inmediato, si uno cierra los ojos, y luego las abre por la noche.

En el 55 aC, Lucrecio, un romano que llevó adelante las ideas de los primeros atomistas griegos, escribió:

Entonces, una vez más, todas las cosas que se incendian y queman por el fuego, almacenan en su cuerpo, si es que algo más, pero al menos esas partículas, de las cuales pueden arrojar fuego al exterior y disparar luz, y hacer que las chispas vuelen, y dispersar cenizas por todas partes.1

A pesar de ser similar a las teorías de partículas posteriores, las opiniones de Lucrecio no fueron generalmente aceptadas; la luz todavía se teorizaba según emanaba del ojo.

Es sabido que Newton prefería ver la luz como un “chorro” de partículas que viajaba en el medio a una velocidad finita. En su obra Opticks, se inclinó por la idea de que un rayo de luz estaba formado por una corriente de pequeñas partículas. Este tipo de teoría corpuscular estaba en consonancia con la tendencia de Newton de ver el mundo físico en términos de átomos. De hecho, la gran influencia de Newton evitó que el trabajo de Christiaan Huygens fuese promovido en la Royal Society, ya que él [Christiaan Huygens] fue el primero en proponer una teoría matemática de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Sabemos que por medio del aire, un cuerpo invisible e impalpable, el sonido se propaga en todas las direcciones, desde el punto donde se produce, por medio de un movimiento que se comunica sucesivamente de una parte del aire a otra; y dado que este movimiento viaja con la misma velocidad en todas las direcciones, debe formar superficies esféricas que se agrandan continuamente hasta que finalmente golpean nuestro oído. Ahora bien, no puede haber duda de que la luz también nos llega del cuerpo luminoso por medio de algún movimiento impreso sobre la materia que se encuentra en el espacio intermedio; porque ya hemos visto que esto no puede ocurrir a través de la traslación de la materia de un punto a otro.2

Evidentemente, poco se conocía sobre la naturaleza de la luz hasta las observaciones de Thomas Young que fueron claves, ya que se centraron en los efectos que ahora llamamos fenómenos de interferencia. El sonido, el agua y la luz son ejemplos de la interferencia producida por las ondas que se propagan y colapsan en un lugar específico. Supongamos que estamos reflexionando sobre la naturaleza fundamental del universo y para ello nos sentamos junto a la piscina de un hotel en nuestras vacaciones. Luego notamos que una gotera comienza a perturbar la superficie acuosa de la calma piscina. Entonces notaremos que ondas empiezan a propagarse hasta que colapsan en una barrera que impide la evolución de la misma.

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Un ejemplo típico es la existencia de bandas alternas de luz y oscuridad, que, irónicamente, habían sido exhibidas por el propio Sir Isaac en un fenómeno llamado anillos de Newton. Los efectos de este tipo son característicos de las olas y surgen de la siguiente manera. La forma en que se combinan dos conjuntos de ondas depende de cómo se relacionan sus oscilaciones entre sí. Si están en paso (en fase, dicen los físicos), entonces la cresta coincide de forma constructiva, lo que da un refuerzo mutuo máximo.

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Izquierda: Ondas construyen una cresta mayor por sus fases constructivas. Derecha: Ondas cancelan sus crestas por sus fases destructivas.

Donde esto sucede en el caso de la luz, uno obtiene bandas de brillo. Sin embargo, si los dos conjuntos de ondas están exactamente fuera de fase (desfasadas), entonces la cresta coincide con el “hueco” de forma destructiva, y se obtiene una banda de oscuridad. Por lo tanto, la aparición de patrones de interferencia de alternancia de luz y oscuridad es una firma inconfundible de la presencia de ondas. Las observaciones de Young parecen haber solucionado el problema. La luz es ondulada.

Los experimentos que voy a relatar… pueden repetirse con gran facilidad, cada vez que el sol brilla, y sin ningún otro aparato que esté a la mano de todos“, es como Thomas Young, hablando el 24 de noviembre de 1803, a la Royal Society de Londres comenzó su descripción del experimento histórico. Su charla fue publicada en las Transacciones filosóficas del año siguiente.3

Double slit

Imagen del experimento de la doble rendija en una pantalla que muestra el patrón de interferencia de los fotones

Un siglo después, Max Planck sugirió que la radiación se emitía o se absorbía en paquetes de energía de un tamaño definido. Él especificó que el contenido de energía de uno de estos cuantas (cantidades en latín, por ende el adjetivo de la física moderna) sería proporcional a la frecuencia de la radiación. La constante de proporcionalidad se tomó como una constante universal de la naturaleza [incluyendo los fotones], ahora conocida como la constante de Planck.4 Con esto en mente, Albert Einstein desarrolló lo que ahora se conoce como el Efecto Fotoeléctrico, aporte que lo convertiría en el ganador del premio Nobel y autor de lo que ahora llamamos la dualidad onda-partícula de la luz.

Desde el comienzo de la mecánica cuántica, la dualidad onda-partícula tiene capturado la imaginación de los físicos. Al cabo de sólo cuatro años después de que Einstein explicó el efecto fotoeléctrico se llevó a cabo el primer experimento de interferencia con fotón independiente. Geoffrey Taylor lo hizo en 1909 con una llama como fuente de luz, una rejilla de difracción y una placa fotográfica.Otros experimentos se han llevado a cabo a raíz de la iniciativa de Richard Feynman con respecto a lo que sucedería si cada ranura contiene un detector capaz de determinar la trayectoria de la partícula individual y luego comparar el patrón de interferencia en la pantalla final.6 Herman Batelaan de la Universidad de Nebraska-Lincoln, junto con colegas y el Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Canadá reportaron un experimento de la doble rendija que sigue la metodología precisa del experimento mental de Feynman.

Hemos creado un experimento en el que ambas ranuras pueden abrirse y cerrarse mecánicamente a voluntad y, lo más importante, esto combinado con la capacidad de detectar un electrón a la vez.

Es nuestra tarea de convertir cada piedra cuando se trata de los experimentos más fundamentales que uno puede hacer. Hemos hecho exactamente eso con el famoso experimento mental de Feynman y hemos sido capaces de ilustrar la característica clave de la mecánica cuántica.7

Este y otros son ejemplos modernos de experimentos que tratan de determinar el comportamiento de las partículas al ser enviados a una, dos, tres, n. cantidad de rejillas, partícula por partícula y determinar la trayectoria de ellas. El resultado:

Mediante la colocación de una máscara móvil delante de una doble ranura para controlar la transmisión a través de las hendiduras individuales, se observaron distribuciones de probabilidad para los arreglos de una y doble rendija. Además, mediante el registro de eventos de detección de electrones individuales de difracción a través de una doble ranura, el patrón de difracción se construye a partir de eventos individuales. [Énfasis añadido]

Esto significa que el patrón de interferencia siempre es proyectado en la pantalla final, aunque la partícula sea enviada una a la vez con distancia de tiempo significativa, excepto cuando se trata de detectar cuál fue la rejilla por la que la partícula viajó.

Double slit

La imagen arriba ilustra el patrón proyectado por las partículas en la pantalla final cuando los detectores fueron instalados. Significando que las partículas no se comportaron como una onda que proyecta un patrón de interferencia en la pantalla final. Pero cuando los detectores se remueven, el resultado es el siguiente, sin importar que las partículas se envíen en “manojos” o individualmente.

Double slit

Es como si el sólo acto de medir hace que las partículas [en nuestro caso, los electrones] viajen como pelotas de tenis de buen comportamiento. Es como si supieran que estaban siendo espiados y decidieron no quedar atrapados en el acto de realizar travesuras como extraños.

¿Qué nos dice éste experimento? Nos sugiere que lo que llamamos “partículas”, como los electrones, de alguna manera combinan las características de las partículas y las características de ondas simultáneamente. Esa es la famosa dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica. También sugiere que el acto de observar o medir un sistema cuántico tiene un efecto profundo en el sistema y su comportamiento. La cuestión de cómo ocurre exactamente es lo que constituye el problema de la medición de la mecánica cuántica. Lógicamente se han propuesto varias interpretaciones para este fenómeno extraordinario, las cuales estaremos abordando en el futuro.

Referencias

[1] Lucrecio, The Nature of Things [La Naturaleza de las Cosas], Libro 11, II. p.88.

[2] Christiaan Huygens, Leyden, 1690, Treatise on Light [Tratado sobre la Luz], capítulo 1, p. 11.

[3] Philosophical Transactions of the Royal Society of London [Transacciones Filosóficas de la Sociedad Real de Londres], Volume 94

[4] Según Planck la radiación electromagnética oscilante se emite ν por segundo y es emitida en quantum de energía hv, donde h es la constante de Planck y tiene el valor de 6.63*10-34 Julios*segundo. (Si se reemplaza la frecuencia angular ω = ν por 2πν, la fórmula se convierte hω, donde h = h / 2π, también a menudo llamado la constante de Planck).

[5] G. I. Taylor , Proc. Cam. Phil. Soc. 15, 114 (1909)

[6] Richard Feynman, The Character of Physical Law [El Carácter de las Leyes Físicas], 1965, Capítulo 3.

[7] http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/15/3/033018/meta consultado el 13 de febrero de 2017.

[8] Ibid.


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Guillermo Cuadra

Guillermo Cuadra

Desde que nos damos cuenta de que somos seres concientes, pensantes y reflexivos, tenemos la obligación de indagar sobre el por qué y para qué existimos. Si es que tiene sentido la última pregunta.

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