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

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.

Los modelos clásicos que se intentaron usar para entender el espectro de emisión predecían cantidades infinitas de energías emitidas en el ultravioleta (lo que se llamó "Catástrofe del ultravioleta") o en el infrarrojo. El problema fue resuelto por Max Planck en 1901 agregando un término a uno de los modelos clásicos, que sólo podía justificarse si se suponía que la emisión de radiación no ocurre en forma continua sino en “paquetes” discretos de energía. En el trabajo de Planck aparece por primera vez la cuantización de la energía, pero sólo como un artilugio matemático para llegar teóricamente a la expresión empírica que describía correctamente el espectro del cuerpo negro. El primero en utilizar conceptualmente esta idea fue Albert Einstein durante 1905, su annus mirabilis en el que irrumpe en la historia con 3 trabajos fundamentales: un modelo teórico para el movimiento browniano basado en la idea aún no completamente instalada de materia conformada por átomos; la presentación de su teoría de la relatividad restringida y una explicación del efecto fotoeléctrico basada en el concepto de cuantos de energía electromagnética luego llamados fotones, el único de sus trabajos explicitado por la Academia Sueca al entregarle el Nobel. Este último desarrollo daría nacimiento a la mecánica cuántica, que toma su nombre justamente de la noción de que los estados de energía de los sistemas microscópicos y por ende las emisiones energéticas que se producen en las transiciones entre estos estados, no pueden tomar cualquier valor sino sólo cierto conjunto de valores permitidos, característico del sistema en cuestión. Así es que reaparece la noción de partícula aplicada a la luz, ya no como una disyunción irreconciliable con la noción de onda, sino como una conjunción irreconciliable.

Los nuevos resultados y modelos no invalidaron todo el conocimiento previo sobre el comportamiento ondulatorio de la luz por lo que no quedó más opción que aceptar el comportamiento dual y resignarse a la inexistencia de un nuevo concepto que abarcara ambos comportamientos.

Ahora, estrictamente, la formación del patrón de interferencia no es completamente determinante sobre la naturaleza ondulatoria de la luz. Sería posible sostener la naturaleza corpuscular alegando que la interferencia se produce entre los distintos fotones que constituyen el haz emitido por la fuente, de la misma manera en la que se forman ondas en un cuerpo de agua, macroscópicamente continuo pero microscópicamente corpuscular. El nuevo experimentum crucisconsistiría entonces en realizar la misma experiencia procurando emitir las supuestas partículas una a una, evitando así que interfieran entre ellas. Sorprendentemente, al realizar este experimento con fotones individuales, se obtiene el mismo patrón de interferencia por acumulación de lo sucesivos impactos. Es más, se obtienen los mismos resultados cuando la fuente emite partículas materiales (i.e. con masa en reposo) como electrones, y hasta moléculas complejas como el fulereno C⁷⁰ (un poliedro formado por 70 átomos de carbono) y moléculas orgánicas i.e. objetos que pueden ser observados como partículas individuales en un microscopio TEM, generan patrones de interferencia al viajar desde la fuente hasta el detector, pasando por las rendijas. Por lo que la dualidad onda-partícula no se restringe a la incorpórea luz, sino que es una propiedad de la materia que nos compone.

El reflejo natural que surge al observar a una supuesta partícula generando un patrón de interferencia es el de colocar un sensor en las rendijas para observar qué es lo que sucede en la interacción entre estos dos objetos (lo que se denomina “which way experiment”). Esto constituyó simplemente un 'gedankenexperiment' (experimento imaginario) durante bastante tiempo dada la dificultad técnica de realizarlo (en particular, detectar un fotón implica absorberlo). Pero en la segunda mitad del sXX se desarrollaron métodos de “detección débil” mediante los cuales es posible observar una relación inversa entre la precisión con la que se detecta el paso de las partículas por una u otra rendija y la definición del patrón de interferencia obtenido. Así, si determinamos con total certeza el paso de cada electrón por una u otra de las rendijas, el patrón de interferencia desaparece completamente y obtenemos un comportamiento tipo partícula clásica como el de la figura 1 de la primera parte.

{"Double-slit experiment results Tanamura 2" by user:Belsazar - Provided with kind permission of Dr. Tonomura. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double-slit_experiment_results_Tanamura_2.jpg#/media/File:Double-slit_experiment_results_Tanamura_2.jpg}

En resumen, los experimentos muestran que, al incidir con radiación coherente (tanto electromagnética como objetos con masa en reposo) contra la pantalla con dos rendijas (que debe cumplir ciertas condiciones geométricas relacionadas con las propiedades de la radiación estudiada), se generará un patrón de interferencia en la pantalla detectora, aún si la fuente emite la radiación de a un cuanto irreducible a la vez. Pero si se coloca un detector en las rendijas para determinar por donde pasa la radiación, el patrón de interferencia desaparece y se obtiene un máximo frente a cada rendija. Además del comportamiento dual onda-partícula de la radiación, se pone de manifiesto el efecto de la medición: el observador modifica irremediablemente el comportamiento del sistema y la teoría que pretenda describir esta fenomenología debe tener esto en cuenta.

Continuará en la parte III...