El experimento de la doble rendija demuestra la naturaleza cuántica de la realidad
RUSSELL KIGHTLEY/BIBLIOTECA DE FOTOS DE CIENCIA
Un experimento mental que estuvo en el centro de una discusión entre los famosos físicos Albert Einstein y Niels Bohr en 1927 finalmente se ha hecho realidad. Sus hallazgos aclaran uno de los misterios centrales de la física cuántica: ¿es la luz realmente una onda, una partícula o una mezcla compleja de las dos?
El argumento de Einstein y Bohr se refiere al experimento de la doble rendija, que se remonta a otros cien años, realizado por el físico Thomas Young en 1801. Young utilizó esta prueba para argumentar que la luz es una onda, mientras que Einstein postuló que la luz es en realidad una partícula. Mientras tanto, el trabajo de Bohr en física cuántica propuso audazmente que, en cierto sentido, puede ser ambas cosas. A Einstein no le gustó esta idea controvertida e imaginó una versión modificada del experimento de Young para contrarrestarla.
Ahora, Chao-Yang Lu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y sus colegas han realizado un experimento que hace realidad la idea de Einstein, utilizando las mejores herramientas de la física experimental moderna para revelar que los objetos cuánticos son tan peculiares en su naturaleza dual de onda y partícula como sospechaban los físicos de la década de 1920. “Ver la mecánica cuántica ‘en acción’ a este nivel fundamental es sencillamente impresionante”, afirma Lu.
En el clásico experimento de la doble rendija, los investigadores iluminan un par de rendijas estrechas, paralelas y orientadas horizontalmente ubicadas frente a una pantalla. Si la luz fuera una partícula, la pantalla debería mostrar una mancha de luz detrás de cada rendija, pero Young e innumerables investigadores que le siguieron vieron un “patrón de interferencia” de franjas claras y oscuras alternadas. Esto indicó que la luz es más como una onda que se derrama a través de las rendijas, y la pantalla captura sus ondas chocando entre sí. Sorprendentemente, el patrón de interferencia persiste incluso cuando la intensidad de la luz se reduce a una sola partícula de luz, o un fotón. ¿Significa esto que el fotón, perfectamente parecido a una partícula, de alguna manera interfiere consigo mismo como si también fuera una onda?
Bohr defendió la noción de “complementariedad”, según la cual es imposible ver la partícula del fotón cuando exhibe un comportamiento ondulado y viceversa. En sus debates sobre si esto realmente era cierto, Einstein imaginó colocar una rendija adicional antes del par habitual que estaría equipada con resortes, para que pudiera retroceder cuando el fotón entrara en ella. Basándose en el movimiento de los resortes, los físicos pudieron determinar si el fotón pasó por la rendija superior o inferior. Según Einstein, esto significaría poder describir simultáneamente el comportamiento de las partículas del fotón (que viaja a través de una rendija específica como lo haría una pequeña bola) y su comportamiento ondulatorio, como lo demuestra el patrón de interferencia, lo que contradeciría la complementariedad.
Lu dice que su equipo quería construir este dispositivo en el “límite cuántico máximo”, por lo que dispararon un solo fotón no a una rendija, sino a un átomo que podía retroceder de la misma manera. Además, golpear el átomo puso al fotón en un estado cuántico equivalente a una combinación de alejamiento del átomo hacia la izquierda y hacia la derecha, lo que también produjo un patrón de interferencia cuando golpeó un detector. Para utilizar un átomo de esta manera, los investigadores utilizaron láseres y fuerzas electromagnéticas para enfriarlo increíblemente, lo que permitió controlar sus propiedades cuánticas con extrema precisión. Esto fue crucial para probar la réplica de Bohr a Einstein: argumentó que el principio de incertidumbre de Heisenberg, que dice que si se conocía muy bien el cambio en el impulso de la rendija debido al retroceso, entonces su posición se volvería muy confusa y viceversa, podría destruir el patrón de interferencia.
“El contraargumento de Bohr fue brillante. Pero el experimento mental siguió siendo teórico durante casi un siglo”, dice Lu.
Al ajustar los láseres, Lu y sus colegas pudieron controlar la incertidumbre en el impulso del átomo en forma de rendija. Al hacerlo, descubrieron que la afirmación de Bohr era correcta y podían borrar el patrón de interferencia ajustando la borrosidad de su impulso. Sorprendentemente, los investigadores también utilizaron esta capacidad de sintonización para acceder a un régimen más intermedio en el que podían medir cierta información de retroceso y también ver una versión borrosa del patrón de interferencia. Aquí, el fotón exhibía efectivamente propiedades tanto de onda como de partícula al mismo tiempo, dice Lu.
“El verdadero interés está en [this] “En el medio”, dice Wolfgang Ketterle en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. A principios de este año, él y sus colegas llevaron a cabo una variación del experimento de Einstein. Utilizaron átomos ultrafríos controlados por láseres para implementar una versión del experimento de Einstein en la que son el par de rendijas las que pueden moverse. Mientras que Lu y sus colegas usaron un solo átomo para dispersar la luz en dos direcciones, aquí, dos átomos dispersaron la luz en la misma dirección, y el efecto del fotón que golpea cada átomo se pudo detectar desde Ketterle dice que esta es una forma conceptualmente diferente de investigar la dualidad onda-partícula y registra más claramente lo que hizo el fotón porque esta información de “qué dirección” se almacena en uno de los dos átomos separados, pero es una ligera desviación de la idea original de Einstein.
Él y sus colegas también experimentaron apagando repentinamente sus láseres (equivalente a quitar los resortes de las rendijas móviles) y luego disparando fotones a los átomos. La conclusión de Bohr aún se mantiene, ya que el intercambio de impulso entre los átomos y el fotón, más el principio de incertidumbre, aún podrían “eliminar” las franjas del patrón de interferencia. Esta versión sin resorte de la idea de Einstein no había sido probada anteriormente, dice Ketterle. “En la física atómica, con átomos fríos y láseres, tenemos oportunidades reales de mostrar la mecánica cuántica con una claridad que antes no era posible”.
Philipp Treutlein, de la Universidad de Basilea (Suiza), dice que los dos experimentos muestran de manera poderosa algunos de los fundamentos de la mecánica cuántica. “Con nuestra comprensión moderna, sabemos la respuesta a cómo funciona la mecánica cuántica a escala microscópica. Pero siempre hace una diferencia si lo ves de verdad, por así decirlo, si alguien realmente hace ese experimento”. El experimento de Lu y su equipo coincide conceptualmente con los dibujos que permanecen en el registro histórico de los debates entre Bohr y Einstein y se comporta exactamente en la forma en que la mecánica cuántica predice que debería comportarse, dice.
Para Lu, aún queda mucho por explorar, por ejemplo clasificar el estado cuántico de la rendija con aún más detalle, así como aumentar su masa. Pero el experimento también tiene un inmenso valor educativo. “Sobre todo, espero que transmita la pura belleza de la mecánica cuántica”, afirma. “Si unos cuantos jóvenes más ven aparecer o desaparecer el patrón de interferencia en tiempo real y dicen: “Guau, la naturaleza realmente funciona así”, entonces el experimento ya ha tenido éxito”.
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