Física Cuántica y el experimento de la doble rendija: una explicación sencilla de la dualidad onda-partícula.

David Barrado y Navascués

Se dice que la Física no es sencilla. Y si nos movemos de la Física Clásica a la Cuántica, casi todo el mundo parece perdido. Sin embargo, incluso conceptos aparentemente complejos o paradójicos pueden ser entendidos si se utilizan criterios pedagógicos, rigor, y cierta dosis de humor. Este es el caso de la dualidad onda-partícula.

En los dos enlaces que incluyo a continuación se muestra una animación  donde se explica la dualidad onda-partícula de manera concisa, clara y muy amena. El video dura unos cinco minutos e incluso un chaval de 10-12 años podría seguirlo sin problemas. Desafortunadamente está en ingles. Así que he escrito un breve guión que indica qué es lo que está explicando el narrador, con los tiempo aproximados. Me pregunto por qué no se hacen cosas así en castellano.

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La animación comienza explicando qué patrón  deja un chorro de partículas de tamaño apreciable (en este caso, bolas de mármol) al atravesar una rendija. La respuesta es evidente, golpearían la pared posterior en un área rectangular, de forma idéntica a la rendija (este sería el caso 1a). Si en lugar de una rendija ponemos dos, conseguiremos obtener dos áreas, cada una relacionada con una de las rendijas. Esto es, cada partícula atraviesa una y solo una rendija, golpeando en una y solo una de las regiones de la  pared posterior (caso 1b).


Caso 1a, donde se lanzan bolas de mármol contra una rendija


Caso 1b, donde se lanzan las mismas bolas de mármol contra dos rendijas.

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Este experimento puede repetirse con ondas. Por ejemplo, las de cualquier líquido, como es el caso del agua. Cuando las ondas se enfrentan con un muro en el que se ha perforado una rendija (caso 2a), al atravesarla y golpear un muro posterior dejan una huella análoga a la que dejaron las partículas en el primer caso (caso 1a). Si en lugar de una rendija las ondas se enfrenta a dos (caso 2b), no se reproduce el patrón del caso 1b, sino que aparece un patrón de interferencia. Éste consiste en numerosas  bandas paralelas de intensidad decreciente, que se produce porque las ondas interfieren unas con otras y dan lugar a cancelaciones (donde no se observa señal) y refuerzos de la señal.

Caso 2a. Aquí se utilizan las ondas producidas en un líquido, que atraviesan una rendija.

Caso 2b. Similar al anterior, pero con el líquido atravesando dos rendijas y produciendo un patrón de interferencia.

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Sin embargo, el mundo de la Física Cuántica, de lo muy pequeño (en realidad la Física Clásica es una aproximación que describe adecuadamente el mundo macroscópico, pero la Física Cuántica se aplica también a todo lo que vemos y tocamos) es diferente, paradójico en apariencia; subyugante.

Aquí el experimento se realiza con electrones,  partículas subatómicas de carga negativa y masa muy reducida (las corrientes eléctricas comunes están formadas por flujos de electrones). Al atravesar los electrones una rendija (caso 3a), se reproduce un patrón de señales análogo a los casos 1a (partículas de mármol) y 2a   (ondas de un líquido). Pero si en lugar de una rendija el muro tiene dos (caso 3b), lo que se obtiene es un patrón de difracción similar al que se obtuvo con ondas  (2b), y no lo que esperaríamos en principio, el patrón que dejan las partículas de mármol (1b).

¿Qué ocurre?¿Cómo es que las partículas microscópicas,  en este caso electrones, se comportan como ondas?¿Sería posible que los electrones estuvieran interactuando entre ellos, interfiriéndose y dando lugar al patrón de interferencia que observamos en el muro?

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Para comprobar esta posibilidad, lanzamos electrón a electrón.  Sorprendentemente, ¡el patrón de difracción se vuelve a producir! Esto quiere decir que cada electrón, cuando tiene que cruzar un par de rendijas, interfiere consigo mismo y da lugar a la señal observada. En realidad, tiene asociada lo que los físicos denominan una función de onda,  con una probabilidad de cruzar cada una de las rendijas. Los electrones (y no sólo ellos) se comportan en ocasiones como ondas y otras como partículas, existe una dualidad en su comportamiento.

¿Y si quisiéramos “engañar” al electrón, mirar con detalle por donde pasa?

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Para ello desarrollamos un dispositivo que observa las rendijas y determinaría por cual ha cruzado. Ahora sabemos que ha entrado por una cualquiera de las rendijas y no por la otra. Sin embargo… lo que observamos es que el patrón de interferencia no se ha producido en esta ocasión. Lo que se observa en el muro posterior es un patrón tipo partícula macroscópica (1b).


Caso 3a. Física Cuántica, con los electrones cruzando una rendija

Caso 3b. Física Cuántica, con los electrones produciendo un patrón de interferencia, similar a las ondas del caso 2b, al cruzar dos rendijas.

Esto es, el hecho de observar con detalle ha cambiado lo que ha sucedido. La función de onda del electrón ha colapsado, eliminando correlaciones que antes sí estaban presentes. Y este fenómeno  es probablemente una de las consecuencias más importantes de la Física Cuántica: el observador no es algo objetivo que está fuera de lo observado, que es independiente de él; forma parte del  sistema y por tanto  tiene que ser estudiado con juntamente.

Fascinante y sorprendente, pero no por ello menos real.

Enlaces:

Enlace I, con el video (algo más de 5 minutos)

Enlace II, con el video (algo más de 5 minutos)

Enlace III, con versiones para quicktime y windows media (what the bleep, fuente original)

Agradezco a mi amigo Daniel que me haya señalado este video. Y, por supuesto, sus comentarios.

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66 comentarios

  1. soy nuevo en esto y si pudieran enviarme informacion o sitios donde “estudiar” sobre la fisica cuantica se los agradeceria … saludos

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