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.

01:20
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.

02:00    
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?

03:00
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?

03:50
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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67 comentarios

  1. Si sustituimos en "eliminando probabilidades que antes sí estaban presentes" la palabra "probabilidades" por "correlaciones" estaré aún más de acuerdo…

  3. a mi me interesa la fisica cuantica me gustaroa que me enviaran informacion actual muchas gracias

  4. interesante, me gustaria saber sobre la formalidad matematica, que plicacion tendriamos para la resonancia?.

  5. Que pasaria si los electrones pasaran de uno en uno y aunque hubiera dos rendijas pasaran solo por una, o bien enfocandolos a esa o bien porque probabilisticamente se da la posibiolidad de que eso pudiera pasar, eso si, sin tapar la otra, ¿La validez ahora del experimento dependeria de la distancia entre rendijas o no importaría, o se vería o no lo mismo que antes?? Gracias por responder

  6. Si puedes enfocar los electrones para que solo pasen por una rendija no se produce interferencia porque sabes por donde van a pasar. La interferencia en mecanica cuantica solo se produce

    cuando no tienes forma de saber cual es el camino seguido. Si intentas observar cual es el camino se pierde la interferencia. Lo que dice la mecanica cuantica, en la forma de suma de caminos de Feynman, es que la naturaleza sigue todos los caminos posibles y solo cuando la observas colapsa la funcion de onda en un estado concreto.

  7. De hecho para que se produzca interferencia las rendijas tienen que estar lo suficientemente juntas para que por el principio de incertidumbre de Heisenberg no puedas saber por cual de ellas pasa el electron. (Separacion del orden de la longitud de onda de la particula incidente). Enfocarlos por una rendija es fisicamente imposible en tal caso. Ademas el ejemplo de las dos rendijas con electrones es ficticio. Ese experimento se hace con fotones. Los electrones tienen una longitud de onda tan corta que tecnicamente no se puede preparar dos rendijas tan juntas. Para el experimento con electrones se usan estructuras atomicas de cristales cuyas capas hacen el equivalente de rendijas.

  9. de hecho esta es la razon los dinosaurios se extinguieron, y solo barney sobrevivio porque su mision era contarnos su dramatica historia y recornarnos no jugar a los cientifiquitos con nuestos experimentitos de fisiquita cuantiquita, pues esta triste historia puede llegar a repetirse y que solo tu quedes vivo para transmitir tu mensaje con cancioncitas para bebes.

  10. mira desde que tenia 8 años me gustava el mundo fisico, cuando mirava el espasio limpo del cielo nocturno mirava alas estrellas hermosas la luz. cuando comemse a leer y practicar una luz vino ami y leyendo las cosas importantes que hiso newton y albert einstein,galileo,copernico,kepler.me fasinaron esos hombres.y yo conosi sus obras muy importantes ahora soy el eintein de mi pueblo llamado picota (san martin)-peru

  11. fisica que:en primer lugar algo sobre el nombre de este trabajo murray gell-mann el descubridor de los quarks . para mi la fisica cuantica es-.-la parte mas pequeña que

    consttituye la materia el micromundo,el mundo de las particulas subatomicas. la primera particula subatomicas que fue el electron recien fue descubierta en el año 1897.la teoria de la relatividad la cual descrive la gravedad y el universo macro y y la mecanica cuantica que describe el micromundo. PRACTIQUEN ESTO POR QUE LA FISICA ES MUY BONITO CHAU PICOTA _PERU

  12. Vamos a ver una cosa,cuando miramos se colapsa,pero cuando no miramos se comporta como una onda,mi pregunta es,si no estamos mirando,como sabemos que se esta comportando como una onda?que pruebas fisicas tenemos de que cuando no miramos se esta comportando como una onda ?

  13. Desearía explicarles mi idea sobre un experimento de fusión nuclear y que me diesen su opinión. Al recibo de su contestación, se lo explicaré. Gracias

  14. ESTA MUY BIEN ELABORADO LOS FELICITO ESA REPRESENTACION ASERCA DE LA FISICA CUANTICA ESTS MUY BIEN

  16. LA VERDAD LO QUE QUIERO SABER ES ACERCA DE UNIVERSOS, PARALELOS YA QUE SE, QUE PUEDEN EXISTEN VARIAS REALIDADES EN LAS QUE ALGUNOS SUCESOS HAYAN ALTERADO EL CURSO DE LA HISTORIA, ES DECIR VISITAR SIEMPRE EL MISMO PLANETA PERO EN DIMENSIONES DIFERENTES, TAL VEZ POR ESO ME INTERESO EN LA TEORIA M Y EN LA FISICA CUANTICA, Y LES VA A PARECER UNA BROMA O UNA CHARLATANERIA PERO YO SOY LA PRUEBA VIVA DE QUE EXISTEN UNIVERSOS PARALELOS. Y BUSCO ALGUIEN QUE ENTIENDA Y CREA LO QUE DIGO. CREO QUE SI SACO ESTO A LA LUZ PUBLICA VAN A PENSAR QUE ESTOY DEMENTE Y POR ESO NO HABLO DEL TEMA, SI DEPRONTO SE INTERESAN ESCRIBANME. PORQUE DEL LUGAR DONDE VENGO LOGRARON CONTROLAR LOS AGUGEROS DE GUSANO PARA PODER CRUZARLO AHORA EL PROBLEMA ES VOLVER A CASA AUNQUE YA HICE UNA VIDA AQUI. QUISIERA VOLVER A VER MI TIERRA. GRACIAS…………

  19. esto es inpresionante yo tengo la pelicula o el dvd es inpresionantede lo que ablabn yo lo vi aller y empese a buscar informasion si saben algo mas sobre esto publiquenlo

  23. Perdornarme, pero sigo diciendo que los fisicos no tienen ni idea de lo que pasa, y hacen el juego de las suposiciones. La Física Cuantica en la ciencia del desconocimiento. Como no sabemos que pasa pues nos damos el gusto de dar por cierto todo lo que percibimos, jugando a las probabilidades. Es genial tu explicación y el vídeo. Esto no es una crítica para destruir la fisica cuantica, por ahora es lo único que tenemos para conocer el universo. Y desde estos conocimientos es por donde tendrán que trabajar los físicos para poder evolucionar en conocer mejor el universo. Aún así, será por mi incapacidad intelectual, creo que hay algo que falla en todo el engranaje de la fisica cuantica. No dice esto es esto, dice esto puede ser esto y esto y esto otro o esto también. Por ahora, y declaro mi ignorancia es estos temas, creo que el mejor cientifico es Planck, quien busca un entendimiento claro y conciso de la mecánica del universo. ESTA CLARO QUE TODO TIENE QUE ESTAR CONECTADO Y TODO INTERACTUA DE ALGUNA MANERA. ¿Cuales son los principios básicos del universo? ¿El movimiento, el espacio y el tiempo y las maneras en que aparecen estructurados?

  24. Primero, disculparme por mis errores ortográficos y mis ignorancias. Y segundo, respecto al experimento nadie explica el proceso de como poner el "ojo" en las rendijas para "ver" que ocurre con el electrón. Me atrevo a decir que para "ver" el electrón ¿qué hemos mandado? ¿ondas electromagnéticas? ¿otros electrones? Ya sabemos que al enviar estas estamos deformando la que pasa allí, y esta claro porque cambia el resultado obtenido. Por lo tanto creo que saco en conclusión con este experimento que un electrón es una "función de onda" que al pasar por dos rendijas se interfieren. Cuando le inyectamos "ondas electromagneticas" debemos interferir en las ondas que se van a colar por un agujero, pero ¿por qué interferimos de tal manera? No me hagan mucho caso.

  28. he descubierto el mundo de la fisica cuantica recientemente, me ha resultdo realmente interesante y estoy buscando informacion al respecto, he encontrado de todo, lo que mas abunda en la red, son opiniones subjetivas, unos a favor y otros en contra de esta ciencia, me gustaria saber si la fisica cuantica esta realemte respaldada por cientificos respetables, si se pueden probar (por lo menos en teoria) las teorias expuestas y si es una asignatura que se estudie en algun sitio… podeis contestarme a juanda0707@hotmail.com gracias de antemano

  29. es un gran trabajo.

    a tí, david, gracias por tomarte el tuyo para facilitarnos su comprensión.

    por otro lado para akellas personas ke kieran saber algo más y escuchar las opiniones de físicos y doctores muy respetables y respetados, existe un documental titulado " y tú ké sabes?", ke se puede bajar o alkilar en videoclub.

  33. Holas a todos a mi tambien me interesa la fisica y me intereso aun mas cuando alguien dijo que vio un agujero de gusano o las multidimenciones. la teoria de cuerdas o teoria M incluye las dimenciones extras que no percibimos pero hay mas cosas que ami me gustaria estudiar usando la fisica haci que me gustaria que me escribieran de cosas extrañas que pudieran haber vivido y de cosas que vieron, muestras que vieron por que la fisica nacion cuando el hombre se puso a pensar como funcionaban las cosas extrañas o paranormales yo soy cero porciento esceptico, cualquier cosa rrara que pudieran ver desde duendes fantasmas luces raras o particulas u ondas y transmicion de energia o telepatia o antigravedad tienen que ser estudiadas para el bien de la humanidad y no para temerlas, y creo que las moleculas y reacciones quimicas no son las unicas formas en que la vida pueda proyectarse y que no hay nada paranormal solo hay que buscar un poco mas.

  35. Cuando se detecta la partícula para ver por qué ranura pasa, por ejemplo un electrón, ¿qué es realmente lo que se está haciendo?

    No sé cómo son estos detectores, pero mucho me temo que lo que hacen es recoger el electrón activar algún mecanismo que contabilice dicho electrón, y emitir un electrón nuevo hacia donde iba el electrón detectado.

    Si es así, el experimento no es tal y como nos lo cuentan en los libros. El electrón disparado no llega a la pantalla final, sino que es interceptado por el detector. El electrón que llega a la pantalla, es otro, que es emitido desde el detector, y que no pasa por ninguna rendija para llegar a la pantalla. Así que no se apreciarán patrones de interferencias.

    ¿Qué opináis?

  36. soy jhon mike :la fisica cuantica.-la teoria fisica basada en la utilizacion del concepto de unidad cuantica para describir las propiedades dinamicas de las particulas subatomicas y las interacciones entre materia y la radiacion las bases de la teoria fueron sentados por el fisico aleman max plank,que en 1900 postulo que la materia solo puede emitir o absorver energia en pequeñas particulas discretas llamadas cuantun.

    otra contribucion fundamental al desarrollo de la teoria fue el principio de incertidumbre, formulada por el fisico aleman werner hisemberg q en 1927,y q afirma q no es posible especificar con exactitud simultaneamente la posicion y el momento lineal de una particula subatomica. PICOTA-SAN MARTIN-PERU

  37. creo que estoy de acuerdo con gabriel y dosyogoro todo mundo se ha enfocado en tratar de explicar la dualidad del comportamiento de la particula pero nadie ha explicado cual es el principio de observacion de dichas particulas en el experimento de la doble ranura, a mi parecer,por la naturaleza de los dispositivos de observacion o deteccion de estas particulas los resultados se han visto afectados, eso se me hace mas coherente que el hecho de pensar o considerar que la particula en cuestion de pronto es conciente de el observador,

    bueno esa es mi opinion si alguien opina similar o tiene informacion que me saque de mi errata por favor escribanme a juancho_munk@hotmail.com

    gracias por el espacio :.

  38. me gustaria recibir informacion sobre fisica cuantica ,lo basico para comenzar a comprender un poco.muchas gracias

  39. la fisica cuantica es un claro ejemplo entre el pasado y el futuro el presente es una arbitrariedad del consepto humano un caso sin importancia. es la perdida de la incertidumbre

  42. este ejemplo no me sirvio de naaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaada pajuooooooooooooo

  43. MIRA SEÑORES DEL MUNDO ENTERO AMI LO ÚNICO QUE ME GUSTA ES LA TEORÍA GENERAL DE LA RELATIVIDAD POR QUE EXPLICA COMO VIAJAR EN EL TIEMPO.

  45. exelente demostracion y estupenda explicacion pero yo creo que deberias mostrarlo matemeticamente

  47. por lo que tengo entendi el experimento nos e hizo con electrones si no que con fotones o lo que es lo mismo particulas de luz asi que al ser observados no se interfirio con el patron de las pariculas estudien un poco mas no se queden con las dudas gracias

    para comentarios o contacto erick.ponti@hotmail.com

    Mexico

  48. Excelente comentario el que haces antes del narrar el video. Yo siempre me pregunto al respecto del porque temas tan interesantes sobre físico en cuanto a animaciones que ayudan a un mejor entendimiento de estos los explican en ingles y no hacerlos también en español: Siento que esto ayudaría mucho a la población latina en el estudio de temas hermosos como esto.
    Muy buen aporte,… sigan así.

  49. Hola buenas, supongo que para intentar racionalizar el mecanismo cuántico del universo habría primero que estudiar otras cosas más básicas como por ejemplo qué es la materia o la energía en su esencia y esto se consigue a nivel subatómico. Nuestro cerebro se ha creado adaptándo su razonamiento al mundo macroscópico y cuando empezados a ojear qué pasa a nivel subatómico vemos cosas a lo que nuestro cerebro no está acostumbrado. Hemos creado la lógica y las matemáticas en la observación del mundo macroscópico y ahora intentamos encuadrar a la física cuántica dentro de esos límites, ¿por qué?
    ¿Por qué no pueden existir ondas de probabilidad por ejemplo? ¿Por qué no puede estar una partícula en dos lugares al mismo tiempo y sólo determinarse uno de ambos lugares cuando lo ‘medimos’?

  50. la materia esta compuesta por atomos segun las distintas combinaciones de atomos se forma el agua el oxigeno etc… si descompones un atomo ya sea en electrones protone o neutrones ya no es materia. por q deveria entonces los electrones comportarse como materia ? es obio que se comporten como ondas cuado no son observados /pero si para nosotros son materia bueno al poner la camarita haran como materia /a su vez los electrones y protones estan compuestos por quartz que tampoco es materia a menos que esten ensablados formando energia y logrando esa energia convertirse en materia, compuesta por los atomos ya que todo el mundo sabe que la materia se tranforma en energia y viceversa

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