Partículas

El experimento de la doble rendija /2

En Ondas, hemos visto cómo se comportan las ondas, en especial las ondas creadas en el agua. Ahora podemos diseñar un experimento paralelo al de las ondas, pero en este caso para examinar el comportamiento de las partículas. Aunque en mi escrito original empleé las ilustraciones de Richard Feynman, aquí emplearé las de la página Ciencia como nunca, que me parecen más sencillas de entender. Los lectores también pueden seguir allí la explicación completa.

Richard Feynman propone que imaginemos una ametralladora que dispara balas a través de la rendija de una plancha blindada. La ametralladora tiene el pie un poco inestable, por lo que las balas no salen siempre en línea recta, sino que a veces pasan limpiamente a través de la rendija en cualquier dirección, mientras que otras veces rebotan en los bordes de la rendija.

Las balas o bolas atravesando la rendija e impactando en la plancha óptica (optical screen). La imagen de la derecha, donde se ven los impactos en la misma plancha, pero vista de frente o tumbada (no desde arriba)

En un segundo experimento, añadimos otra plancha, pero en este caso con dos rendijas. Más allá situamos el detector, que puede ser una caja de arena que recoja las balas u otra plancha en la que impactan, como en el primer experimento.

En esta variación se supone que se trata de bolas de pintura rojas, pero se supone que son equivalentes a las balas.

Otra idealización necesaria es que las balas son indestructibles (naturalmente, podemos diseñar este experimento en una simulación de ordenador, lo que nos evita tantas idealizaciones), por lo que en la caja de arena siempre recogemos balas enteras, unidades enteras. Naturalmente, si suponemos también que las balas poseen la misma velocidad o energía, nunca llegaran dos balas al mismo tiempo al detector, sino que unas llegarán antes y otras después.

En la figura se puede ver cómo quedaría la pared tras los impactos cuando usamos dos rendijas.

Si se abre una rendija, nos dicen en Ciencia como nunca, veríamos en la pared una franja uniforme. Al abrirse dos rendijas, vemos dos franjas uniformes, como en este caso.

Ahora bien, ya sabemos que no es esto lo que sucede con las ondas, cuando las sometemos a un experimento similar en un experimento similar:

El resultado en el caso de las ondas es un patrón de interferencia, en vez de dos franjas paralelas. Las bandas sólidas reflejan el impacto de las crestas de las ondas.

Comparación del experimento con partículas (balas o bolas de pintura) y con ondas.

Ahora ya podemos ver las ilustraciones de Feynman, que nos muestran el experimento pero con curvas de impacto.Conviene ahora examinar las curvas N1 y N2 en el extremo derecho de la ilustración.

Cada una de estas curvas se obtiene al modificar levemente el experimento, cerrando alternativamente uno u otro de los dos agujeros de la segunda barrera.

En el caso de las balas, si cerramos el agujero nº1, la probabilidad de llegada de las balas al detector originará la curva N2.

Si cerramos el agujero nº2, la curva resultante será N1.

Es fácil ver que las curvas N1 y N2 sumadas o superpuestas dan como resultado la curva N12.

A este resultado (N1+N2= N12) se le puede llamar “no interferencia”.

En el caso de las ondas si cerramos uno u otro agujero, obtenemos las curvas L1 y L2. Ahora bien, la suma de ambas curvas cuando abrimos los dos agujeros no da como resultado la curva L12.

Es decir, aunque las curvas que se obtienen al cerrar uno u otro de los de los agujeros son las mismas (L1/L2=N1/N2) tanto con ondas como con balas, la curva que resulta cuando mantenemos abiertos ambos agujeros no es la misma en uno y en el otro caso (L12 no es igual a N12).

Cuando se trata de balas, en consecuencia, el resultado del experimento es el mismo, tanto si se abre un sólo agujero como si abren los dos: en la caja se recogen las mismas balas con la misma curva de probabilidad. Sin embargo, en el caso de las ondas, el resultado es completamente diferente si se mantiene un agujero cerrado o si se dejan ambos abiertos.

Pues bien, como ya sabemos, Thomas Young se propuso en 1803 realizar un experimento similar a los anteriores para determinar si la naturaleza de la luz era corpuscular u ondulatoria. Si realizamos el experimento de las dos ranuras con una fuente luminosa, ¿qué resultado obtendremos?

Es decir: ya conocemos como actúan las partículas (balas) y cómo actúan las ondas. Ahora queremos descubrir si la luz se comporta como las partículas o como las ondas.

La respuesta es que a pesar de que lanzamos partículas, fotones de luz, el resultado es idéntico al que se obtiene con las ondas. Se produce una imagen de interferencia debida también a la interferencia entre crestas y valles de la onda luminosa. Con ello, Thomas Young dejó establecido el carácter ondulatorio de la luz, aunque este resultado puede obtenerse con cualquier tipo de radiación electromagnética (la luz visible es una onda electromagnética cuya unidad son los fotones).

Ahora bien, los electrones (y los fotones) son partículas discontinuas y pueden ser lanzados de uno en uno, como si se tratara de balas. En consecuencia, si hacemos el experimento de la doble rendija con electrones, el resultado esperado sería similar a la figura que representa el comportamiento de las balas: una curva como N12, que será la suma de N1 y N2, según abramos el agujero nº1 o el nº2.

Sorprendentemente, el resultado es exactamente idéntico al obtenido en el experimento hecho con ondas.

Con ello se muestra el carácter ondulatorio de los electrones. Y sin embargo, lo que se registra en el detector es un impacto, un “clic” dice Feynman, de cierta magnitud siempre idéntica, que, al igual que el “bang” de las balas, muestra que llegan unidades enteras al detector.

Se ve, pues, que los electrones se comportan al mismo tiempo como ondas y como partículas. Esto puede hacer pensar que son ambas cosas. Bohm, si lo recuerdo bien, propuso la teoría de ondas piloto que trasportarían a cada electrón, para explicar que hubiera tanto ondas como partículas. Otros pensaron que el comportamiento de la luz no es el de partículas ni el de ondas, sino algo distinto y no visualizable. Otros, en fin, prefieren pensar que a veces son una cosa ya aveces la otra, o que son de alguna manera las dos cosas.

Continuará…


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[Escrito por primera vez  después de 1994 y antes de 1996, como un trabajo universitario. La edición actual procede de la edición personal de 1998. No he introducido ningún cambio, más allá de correcciones de estilo para hacer más claro el texto y más agradable la lectura. Ver también la categoría Física: ondas y partículas, para anexos acerca del experimento de la doble rendija]

 FILOSOFÍA DE LA FÍSICA CUÁNTICA

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