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La doble personalidad del electrón.

Probablemente el experimento más importante y famoso de la mecánica cuántica es el experimento de la doble rendija, donde un principio quántico básico es manifestado, y nos deja vislumbrar el extraño mundo alrededor de esta rama de la física.

El abuelo de los experimentos que demuestran las propiedades y efectos cuánticos es definitivamente el experimento de la doble rendija, donde la dualidad de onda y partícula es claramente evidenciada y es el ejemplo clásico de lo extraño que es el mundo de la mecánica cuántica.

Y para elaborar sobre este experimento podemos iniciar revisando el comportamiento de la luz y los diferentes fenómenos que presenta. Sabiendo que la luz un tipo de onda electromagnética, es parte de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, y son los fotones, la partícula asociada con esta fuerza, los que generan estos efectos de la luz, que han sido estudiados por siglos, comenzando con Francesco Grimaldi, un sacerdote italiano que a mediados del sigo diecisiete estudió el comportamiento de la luz y quién creó el término “difracción”; sus estudios sobre la luz continuaron con varios científicos, incluyendo casos como el de Isaac Newton; pero fue Thomas Young a inicios del siglo diecinueve quien hizo el primer experimento de la doble rendija con luz.

En este experimento que Young hizo, notó como una fuente de luz que pasa a través de una doble rendija, tiene un comportamiento particular donde la luz interfiere consigo misma debido a un desfasamiento de sus ondas, teniendo un reforzamiento cuando dos “crestas” de onda se combinan, y anulándose cuando una cresta y un valle de estas ondas se encuentran; teniendo como resultado una serie de máximas y mínimas, teniendo un denominado patrón de difracción.

DoubleSlit

Double slit experiment (phys.libretexts.org)

Electrones duales

Hasta ahora no hay sorpresas con este experimento, con la bien conocida difracción e interferencia de la luz. Este experimento fue después repetido por Claus Jönsson usando electrones. Y aquí debemos considerar que estos son partículas de materia que, a diferencia de los fotones, tienen masa, y por ende es de esperarse que se comporten como pequeñas “canicas” o partículas. Si estas partículas son disparadas en una rendija, estas forman un patrón con la forma de la rendija. Y lo mismo era de esperarse si se disparasen estas canicas en una doble rendija, un patrón donde dos columnas de “impactos” serian detectadas.

Mas el resultado con el experimento de la doble rendija no fue el esperado, este experimento generó un patrón de difracción, tal como lo hace la luz, pero… ¡con partículas!

Mas refinadas versiones de este experimento fueron creadas, considerando podría ser probable que los electrones “chocaran” entre ellos, generando este patrón de difracción; y para descartar esta posibilidad esta nueva versión del experimento disparaba un electrón a la vez, mas el resultado fue el mismo, los electrones, disparados uno a uno, formaban también un patrón de difracción; esto mostró el primer efecto cuántico:

“El electrón interfiere consigo mismo!”

Aun cuando este efecto no se pudo explicar usando la física clásica, es un fenómeno perfectamente congruente con la teoría de la física cuántica. Y este ha sido considerado “El experimento más hermoso de la física”; El cual ha sido reproducido también con átomos e incluso con algunas moléculas, constituidas de miles de partículas, en todos estos casos demostrando la dualidad de “onda y partícula” de la materia.

Este efecto cuántico de la dualidad de onda y partícula es claramente entendido, pero no sin tener sorpresas adicionales; en otra versión de este mismo experimento se incluyó un sensor, que mide cómo actúan cada uno de estos electrones al cruzar por la doble rendija, siendo este el equivalente a “observar” cómo se comportan los electrones. Y al ejecutar esta nueva versión del experimento otra nueva sorpresa fue detectada:

“¡Siendo observados, los electrones vuelven a comportarse nuevamente como partículas!”

Al ubicar este sensor, para medir y “observar”, lo que sucede con estos electrones, su función de onda colapsa, y los electrones manifiestan un comportamiento determinístico en donde estos actúan solo como partículas, presentando un resultado donde no hay interferencia, y generan un patrón donde solo se distinguen dos columnas de impactos, y desaparece el efecto de interferencia.

Two-Slit_Experiment_Particles

Particle behavior (Wikipedia.org)

Los experimentos con la doble rendija continuaron, creando versiones cada vez más sofisticadas de este, intentando entender en más detalle este comportamiento dual de partículas de materia; uno de estos fue realizado en 1978 por el físico John Wheeler; este experimento denominado como “Experimento de Wheeler de elección retardada” (Wheeler’s delayed choice experiment), se aplica el concepto del observador; pero de tal forma que presentó una paradoja que es aún más intrigante.

Aún más extraño

En esta versión del experimento, el sensor u “observador” es activado solamente después de que el electrón ha cruzado la barrera con la doble rendija; esto implicaba que, al no ser observado, el electrón debe tener un comportamiento de onda y presentar un patrón de interferencia, ya que la decisión de medirlo o no se efectúa sino hasta después de que el electrón ha cruzado la barrera. Mas la gran sorpresa fue que nuevamente el resultado fue un patrón sin interferencia, donde los electrones se comportan como partículas. Pero… si estos no fueron observados al cruzar la barrera de doble rendija, ¿Como puede ser que se comporten como partículas antes de ser observados? La respuesta es aun mas intrigante y misteriosa:

“La causalidad de los electrones comportándose como partículas retrocede en el tiempo”

Esto es, los electrones saben antes de cruzar la barrera de doble rendija, que van a ser medidos, y se comportan como partículas antes de saber que serán medidos, esto sucede en el pasado. La elección de lo que vamos a hacer como observadores, determina el estado previo del electrón.

Esto sonará como fantasía, y podría considerarse que es un efecto que ocurre solamente en condiciones controladas y de corta distancia, más este no es el caso; en observaciones astronómicas es factible que estos efectos puedan acontecer en fotones emitidos por galaxias a muy grandes distancias de nosotros, y por ende la decisión de comportarse como partícula fue determinada miles de millones de años antes de que fueran “observados” por nuestros equipos de monitoreo.

Se han hecho experimentos similares de doble rendija aún más complejos; en 1999, el experimento de “Borrador cuántico de elección retardada” (Delayed choice quantum eraser), fue realizado por los físicos Yoon-Ho Kim y Marlan Scully, manifestando simultáneamente y de una misma fuente de electrones, un comportamiento tanto de onda como de partícula; haciendo evidente que esta dualidad es una propiedad fundamental en la naturaleza.

Pero ¿qué significa todo esto?

La teoría de la física cuántica que explica este comportamiento dual de la materia, fue un trabajo realizado por varios físicos entre ellos Planck, Einstein, Compton y Bohr, pero principalmente por Louis de Broglie y Erwin Schrödinger alrededor de 1925. Y se ha convertido en uno de los grandes postulados de la física cuántica. En esencia todos estamos sujetos a estos efectos cuánticos, pero la probabilidad de que estos se manifiesten es mucho más alta en una escala cuántica (muy pequeña).

Pero entonces, ¿estos efectos pueden ocurrir en escalas no cuánticas? En esencia, sí. Mas la probabilidad de que un objeto a nuestra escala tenga un comportamiento similar a la dualidad del electrón es tan baja, que es muy probable que no ocurra durante la existencia del universo.

Y este es solo el principio; como comentó Niels Borh, “Si la mecánica cuántica no te ha conmocionado profundamente, entonces aun no la has entendido”.

Saludos Alex
ScienceKindle.

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