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)

¿Cómo distinguimos partículas de ondas? El experimento de la rendija doble.

Se puede decir sin ser muy osado, que todo fenómeno natural es entendido por la física como una transformación o transferencia de energía y una transferencia de cantidad de movimiento, dos cantidades que se mantienen globalmente constantes en todo sistema aislado. Ahora bien, este par transformación-transferencia puede ocurrir con o sin traslado neto de materia: una bala que es disparada e impacta contra su blanco, le transfiere a éste la energía y la cantidad de movimiento adquiridas en el arma. En este proceso, la materia que constituye la bala sufrió una traslación neta. Por otro lado, el sonido generado por un altavoz se produce por la transferencia de energía y cantidad de movimiento entre el altavoz y el oído sin que, al finalizar el proceso, haya ocurrido un transporte neto de materia. Los fenómenos en los que se transfiere energía y cantidad de movimiento sin transporte neto de materia se llaman ondas. Existen varias clasificaciones posibles para las ondas siendo una de las más importantes la que las separa en ondas mecánicas y ondas electromagnéticas. Las ondas mecánicas como el sonido, requieren de un medio material para propagarse. Las ondas electromagnéticas como la luz se propagan como perturbaciones del campo electromagnético presente en todo punto del espacio, aún en el vacío. Cuando durante el cambio de siglo XIX-XX la comunidad científica comenzó a centrar su atención en ciertos minerales que emitían “radiaciones”, o sea que generaban efectos a distancia sobre otros objetos sin mediar un contacto evidente, una de las primeras discusiones consistió en determinar si estas radiaciones consistían en ondas o en la emisión de partículas materiales. La discusión no era nueva, la disyunción sobre la naturaleza ondulatoria o corpuscular de la luz visible constituyó la madre de las batallas científicas durante el sXVII con el mismísimo Isaac Newton en el bando (momentáneamente) perdedor de los corpusculares. Fue el experimento de la rendija doble una de las armas decisivas del bando vencedor.

El experimento de la doble rendija

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).

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…

1. 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.