Un experimento sencillo que rompió las certezas de la física

Pocas veces en la historia de la ciencia un montaje tan sencillo ha producido consecuencias tan profundas.

Basta una fuente de luz, una tarjeta con dos ranuras diminutas y una pantalla al fondo para poner en jaque las intuiciones más básicas sobre cómo funciona la realidad.

El físico Richard Feynman llegó a describir este experimento como el corazón de la mecánica cuántica, el fenómeno que contiene "el único misterio" de toda la física moderna.

No exageraba.

El experimento de la doble rendija es, todavía hoy, el punto de partida obligado para entender por qué el mundo subatómico se comporta de una manera que desafía el sentido común.

Lo que comenzó en 1801 como una simple demostración sobre la naturaleza de la luz terminó, más de un siglo después, convirtiéndose en una de las pruebas más contundentes de que la materia misma puede comportarse como una onda de probabilidades... hasta el momento en que alguien decide medirla.

1801: Thomas Young y la primera grieta en la teoría de Newton

Durante buena parte del siglo XVIII, la comunidad científica aceptaba la teoría de Isaac Newton sobre la naturaleza de la luz.

Según Newton, la luz estaba formada por pequeñas partículas llamadas "corpúsculos" que viajaban en línea recta.

Fue el físico y médico británico Thomas Young quien, en 1801, desafió esta idea con un experimento tan elegante como revolucionario.

Young hizo pasar un haz de luz solar a través de dos pequeñas rendijas practicadas en una tarjeta opaca.

Si la luz estuviera realmente compuesta por partículas viajando en línea recta, lo esperado sería observar en la pantalla situada detrás únicamente dos franjas luminosas, una correspondiente a cada rendija.

Pero ocurrió algo completamente diferente.

Apareció un patrón alterno de bandas claras y oscuras conocido como patrón de interferencia.

Ese resultado solo podía explicarse si la luz atravesaba ambas rendijas comportándose como una onda.

Las ondas podían superponerse:

• En algunos puntos se reforzaban entre sí creando zonas luminosas.
• En otros puntos se cancelaban produciendo zonas oscuras.

El experimento de Young parecía enterrar la teoría corpuscular de Newton y consolidó la idea de que la luz era, fundamentalmente, un fenómeno ondulatorio.

El giro inesperado: cuando la materia también actúa como onda

Durante todo el siglo XIX, la naturaleza ondulatoria de la luz parecía un asunto resuelto.

Pero a comienzos del siglo XX, la física dio un giro inesperado.

En 1905, Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico proponiendo que la luz también estaba formada por paquetes discretos de energía llamados fotones.

Es decir:

La luz podía comportarse como una onda, pero también como una partícula.

Este descubrimiento llevó al físico francés Louis de Broglie a plantear en 1924 una idea todavía más sorprendente:

Si la luz podía tener comportamiento de partícula, quizá la materia también podía comportarse como una onda.

De Broglie propuso que toda partícula de materia, como un electrón, podía asociarse con una longitud de onda.

La confirmación experimental llegó en 1927.

Clinton Davisson, Lester Germer y George Paget Thomson demostraron que los electrones producían patrones de difracción característicos de las ondas.

La materia, que durante siglos había sido considerada algo sólido y localizado, también tenía una naturaleza ondulatoria.

De la teoría a la prueba definitiva: los electrones atraviesan la doble rendija

El siguiente paso era inevitable:

Repetir el experimento de Young, pero utilizando electrones en lugar de luz.

En 1961, el físico alemán Claus Jönsson realizó por primera vez el experimento de doble rendija utilizando haces reales de electrones.

Los resultados confirmaron que la materia también podía generar patrones de interferencia.

Pero el experimento que realmente cambió la historia llegó en 1989.

Un equipo dirigido por el físico japonés Akira Tonomura, en los laboratorios de Hitachi, llevó el experimento al límite.

En lugar de lanzar muchos electrones al mismo tiempo, dispararon electrones individuales uno por uno.

Cada electrón llegaba a la pantalla como un simple punto aislado.

Exactamente como una partícula.

Pero conforme miles de impactos se acumulaban, algo increíble comenzó a aparecer:

El mismo patrón de interferencia que había observado Thomas Young más de un siglo antes.

Cada electrón individual parecía comportarse como si hubiera atravesado ambas rendijas al mismo tiempo, formando un patrón de onda de probabilidades.

La superposición cuántica: el electrón que está en dos lugares posibles

Para comprender lo que ocurre realmente es necesario introducir uno de los conceptos fundamentales de la mecánica cuántica:

La superposición

Antes de ser medido, un electrón no puede describirse simplemente como una pequeña esfera ubicada en un punto exacto del espacio.

La física cuántica lo representa mediante una función de onda, conocida como ψ (psi), que describe diferentes posibilidades.

En el experimento de la doble rendija, mientras no exista una medición de trayectoria, el electrón se comporta como una combinación de posibilidades:

• Puede pasar por la rendija A.
• Puede pasar por la rendija B.
• Puede existir una superposición de ambas posibilidades.

Esa superposición es la responsable del patrón de interferencia observado.

El momento en que todo cambia: medir la trayectoria

La parte más sorprendente del experimento aparece cuando los científicos colocan un detector para saber por cuál rendija pasa cada electrón.

En ese momento ocurre algo fundamental:

El patrón de interferencia desaparece.

En su lugar aparecen dos franjas definidas, exactamente como si fueran partículas clásicas atravesando dos caminos separados.

Durante mucho tiempo esto se interpretó como si el electrón "supiera" que estaba siendo observado.

Pero esa explicación es incorrecta.

El cambio no ocurre porque exista una conciencia humana mirando.

Ocurre porque el detector interactúa físicamente con el electrón.

El mito que hay que desmontar: ¿los electrones saben que los observamos?

La palabra "observador" en física cuántica no significa una persona mirando.

Puede ser:

• Un detector electrónico.
• Un fotón interactuando con la partícula.
• Una molécula del ambiente.

Cualquier interacción capaz de obtener información sobre el sistema puede modificar su comportamiento.

Este fenómeno se conoce como decoherencia cuántica.

La razón es sencilla:

No es posible detectar un electrón sin interactuar con él.

Para saber por dónde pasó, debemos afectarlo físicamente.

No existe telepatía.

No existe conciencia de las partículas.

Existe una interacción física que modifica el sistema.

Los experimentos que llevaron la paradoja todavía más lejos

La doble rendija continuó evolucionando después del experimento de Tonomura.

Uno de los experimentos más famosos es el llamado:

Borrador cuántico

En este experimento se obtiene información sobre el camino seguido por una partícula y posteriormente esa información es eliminada.

Cuando desaparece esa información, el patrón de interferencia puede volver a aparecer.

Otro caso famoso es el experimento mental de:

Elección retardada de Wheeler

Propuesto en 1978 por John Archibald Wheeler.

La idea plantea escenarios donde la decisión de medir una propiedad de la partícula ocurre después de que esta ya atravesó las rendijas.

Este experimento sigue siendo uno de los debates más fascinantes de la física moderna.

De los electrones a las moléculas gigantes

La superposición cuántica no se limita únicamente a partículas pequeñas.

En 1999, Anton Zeilinger y su equipo en la Universidad de Viena lograron observar interferencia utilizando moléculas de fullereno C60, conocidas como "buckyballs".

Estas moléculas están formadas por 60 átomos de carbono.

El resultado demostró que objetos mucho más grandes que un electrón también pueden mostrar comportamiento cuántico.

Actualmente, los científicos continúan investigando dónde se encuentra el límite entre:

• El extraño mundo cuántico.
• La realidad clásica que experimentamos diariamente.

Por qué este experimento sigue importando

Más de dos siglos después del experimento original de Thomas Young, la doble rendija continúa siendo una de las mejores puertas de entrada para comprender la mecánica cuántica.

Su importancia no está solamente en demostrar que las partículas pueden comportarse de manera extraña.

También demuestra algo fundamental sobre la ciencia:

Debemos separar lo que los experimentos realmente muestran de las interpretaciones populares que se construyen alrededor de ellos.

La doble rendija no demuestra que la mente humana cree la realidad.

No demuestra que las partículas tengan conciencia.

Lo que demuestra es algo mucho más sorprendente:

Que la luz y la materia, en escalas extremadamente pequeñas, pueden existir como un conjunto de posibilidades hasta que una interacción física determina un resultado.

Y esa es una de las mayores lecciones de la física moderna:

El universo, cuando observamos sus niveles más profundos, funciona de una manera mucho más extraña de lo que nuestra intuición humana está preparada para imaginar.

¿Sabías que...?

● Richard Feynman consideraba la doble rendija como una de las mejores formas de entender la esencia de la mecánica cuántica.

● El experimento original de Thomas Young fue realizado en 1801, más de cien años antes del nacimiento de la física cuántica moderna.

● Los experimentos actuales han logrado observar fenómenos de interferencia incluso con moléculas mucho más grandes que un simple átomo.