El experimento de la doble rendija

By Dr. Tonomura and Belsazar [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Antecedentes

A lo largo de la historia la naturaleza de la luz ha sido un tema de ferviente discusión en el ámbito académico. En 1678, Christian Huygens formuló la teoría ondulatoria de la luz, la cual pasó desapercibida y fue finalmente abatida a principios del siglo XVIII cuando Isaac Newton comenzó a publicar sus estudios en el campo de la óptica, los cuales explicaban satisfactoriamente algunos fenómenos como la reflexión o la refracción entendiendo la luz como partícula. No fue hasta el siglo XIX, precisamente gracias al experimento que nos ocupa hoy, cuando Thomas Young demostró el comportamiento ondulatorio de la luz, reavivando el debate y poniendo de nuevo sobre la mesa los estudios de Huygens, hasta que en 1848 se consiguieron rebatir gran parte de las afirmaciones hechas por Newton, desterrando así, la teoría corpuscular de la luz en el ámbito académico. Sin embargo, a principios del siglo XX, se sucedieron algunos de los descubrimientos que demostrarían sin lugar a dudas que la luz se comportaba como partícula. [Nos referimos a la ley de Planck y al efecto fotoeléctrico de Einstein, lo cual ya trataremos en profundidad más adelante]

Estos descubrimientos sentaron las bases para lo que hoy conocemos como mecánica cuántica, y situaron a la física teórica en uno de los momentos más incómodos de su historia, pues se disponía de siglos de evidencias contradictorias sobre la naturaleza de la luz. Esta nueva idea, la mecánica cuántica, no tardaría en desarrollarse para resolver el problema de la luz.

El experimento de la doble rendija

El experimento más famoso de la física contemporánea y, a mi parecer, el más esclarecedor para el tema que nos ocupa, es el omnipresente experimento de la doble rendija. Lo explicaré simplificando algunos aspectos pero intentando no inducir a error.
Dados los siguientes elementos:

A saber: un foco de luz, una pared con dos rendijas y una pantalla fotosensible.

La hipótesis es la siguiente: si, efectivamente, la luz es una partícula; es decir, si el foco de luz dispara fotones contra la pared, previsiblemente nos encontraremos con que la pantalla fotosensible exhibirá un resultado similar a este:

Es decir, parte de los fotones impactarán contra la pared, y los que no, atravesarán las hendiduras siguiendo una trayectoria recta hasta impactar en la pantalla, formando dos líneas verticales.

Si, en cambio, la luz es, en realidad, una onda, sucederá lo siguiente:

¿Qué estamos viendo aquí? La onda surgida del foco avanzaría hasta impactar contra la pared y en ese momento se produciría difracción a causa de las dos rendijas. Es decir, cada rendija se convertiría en el foco de una nueva onda:

Esto ocasionaría que hubiese dos focos en vez de uno, y, consecuentemente, dos ondas en vez de una, por lo que ambas interferirían entre ellas:

Esta interferencia sería destructiva en algunos puntos, donde la onda se "anularía" y constructiva en otros, donde la onda se acrecentaría. Así surgirían los puntos (C, D, E, F), puntos en los que las ondas se encontraron estando en la misma fase. Es por esta razón que la pantalla mostraría no dos, sino varias franjas verticales, que formarían lo que se conoce como patrón de interferencia.

Para que quede bien claro:

En esta animación podemos observar, por un lado, los dos puntos rojos de la izquierda, que son los dos focos que surgen por la difracción de la onda al atravesar la pared con la doble rendija; y por otro lado, los puntos de la derecha, siendo los negros aquellos lugares donde la onda se anula, y los puntos rojos aquellos donde la interferencia de ambas ondas es constructiva, formando el famoso patrón:

By Dr. Tonomura and Belsazar [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Como explicaba al principio del artículo, el resultado que se obtuvo fue este último, el que encabeza el post, lo cual era una prueba inequívoca del comportamiento ondulatorio de la luz. Sin embargo, con el paso de los años y una creciente acumulación de evidencias contradictorias sobre el carácter de la luz, se decide añadir un cuarto elemento al experimento: un aparato de observación.

De esta forma podría verse dónde estaban los fotones en cada momento, qué rendija atravesaban y por qué se formaba tal patrón de interferencias a pesar de haberse demostrado hasta la saciedad la existencia de los fotones como partículas.

Se repite el experimento con el nuevo elemento y... para sorpresa de todo el mundo, ¡el resultado ya no era el patrón de interferencias, sino las dos líneas verticales que se habrían previsto en el caso de tratarse de partículas!

~Ingeniero Soviético

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