El experimento de la rendija doble , la dualidad onda partícula y las interpretaciones de la mecánica cuántica. Parte I.

Por I.J. Bruvera

“...we have to remember that what we observe is not nature in itself but nature exposed to our method of questioning.” Werner Heisenberg (1958)

Mecánica cuántica pura: El experimento de la rendija doble con materia

A partir de los experimentos de Young (ver parte 1) y otros, la idea de la luz como una onda se instaló en la comunidad científica con éxito. La teoría del electromagnetismo clásico de Maxwell condensaba todos los conocimientos de la época al respecto y acompañó así el desarrollo de la tecnología basada en la electricidad que cambió por completo la dinámica de la sociedad. Pero entre finales del sXIX y principios del sXX, la física clásica hasta entonces imparable, encuentra su límite en dos fenómenos que fue incapaz de explicar: el espectro de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico.

El primero se refiere a la distribución de frecuencias de la luz emitida por los cuerpos según su temperatura. Todos los objetos por encima del cero absoluto de temperatura (o sea , todos los objetos) emiten continuamente radiación electromagnética. La radiación emitida no posee una única frecuencia (color, cuando se trata de luz visible) sino que presenta una distribución contínua con un máximo en una región de frecuencias que depende de la temperatura. Cuanto más caliente está el objeto, mayor cantidad de radiación de alta frecuencia emite (figura 1). A temperatura ambiente, el máximo de emisión se encuentra fuera del espectro visible, en el infrarrojo. Así es que el ojo humano no detecta la emisión de los objetos que manipula cotidianamente (ni la del propio cuerpo humano). Al calentar metales por ejemplo, la emisión comienza a notarse como un fulgor rojo. Al seguir elevando la temperatura, se van sumando los colores de mayor frecuencia hasta que la emisión en el visible es tan intensa que el objeto se ve blanco.

El experimento de la rendija doble

El experimento de la rendija doble fue diseñado por Thomas Young en 1801 como un experimentum crucis para determinar la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Desde entonces, la idea general del experimento se sigue utilizando para manifestar las propiedades ondulatorias de las radiaciones. El esquema general del experimento consiste en una fuente emisora de la radiación que se quiere investigar, una pantalla opaca con dos orificios y una segunda pantalla o sensor en donde se puede registrar la llegada de los objetos provenientes de la fuente (fig. 1).

Si los objetos emitidos por la fuente se comportan como partículas discretas, al llegar a la primera pantalla, podrán pasar por uno u otro de los orificios para luego impactar en la segunda pantalla. Así, la acumulación de impactos sucesivos tendrá un máximo frente a cada orificio (fig. 2) o bien un máximo central, dependiendo de la distancia entre rendijas. Se obtiene el mismo resultado que si se realiza el experimento abriendo primero sólo una de las rendijas y luego sólo la otra.

Por otro lado, si el comportamiento es ondulatorio, la fuente generará un frente de onda como el formado en un cuerpo de agua al arrojar una piedra. Al llegar a la primera pantalla, sólo seguirán su camino las porciones del frente de onda que coincidan con los orificios. Por tratarse de rendijas estrechas, cada uno de los orificios se convertirá en un emisor puntual de frentes de onda. Ahora, al encontrarse dos frentes de onda, se produce el fenómeno de interferencia en el cual, dependiendo de la fase relativa en el punto de encuentro, la suma de las dos contribuciones puede ser constructiva o destructiva. Allí donde sea totalmente destructiva i.e. en donde las dos contribuciones se cancelen completamente entre sí, la amplitud observada será nula (fig. 3).

Como cada punto fuera de la línea central de la segunda pantalla se encuentra a diferente distancia de cada rendija, la fase relativa entre las dos ondas al impactar será también diferente en cada uno de ellos debido a la diferencia de camino recorrido. En algunos puntos los dos frentes llegarán completamente en fase y se sumarán y en otros llegarán completamente en contrafase y se cancelarán, pasando en las demás posiciones por todos los valores intermedios. Esto resultará en la formación de un patrón de franjas en la pantalla o sensor (fig 4 y 5 <ref>Fotograma extraído del video"The Original Double Slit Experiment - YouTube." 2013. 18 Oct. 2014 <http://www.youtube.com/watch?v=Iuv6hY6zsd0> muy recomendable a fin de entender el experimento de Young.</ref>).

En resumen, si al final del experimento se obtiene un máximo frente a cada rendija o un máximo central (i.e. lo mismo que se obtendría descubriendo sólo una rendija y luego sólo la otra), se les asigna naturaleza corpuscular a los entes emitidos por la fuente. Si, en cambio, se obtiene un patrón de franjas, se concluye que se están detectando ondas. Si bien Young utilizó con éxito este experimento para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz, la disyunción onda-partícula seguiría presente hasta entrado el sXX, tanto para la luz, como para el resto de las radiaciones que se fueron descubriendo.

Pero el experimento tiene una segunda parte que surgiría a partir del advenimiento de la MC y que constituye posiblemente la manifestación más cabal de un fenómeno puramente cuántico…

Referencias

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