Introducción

En el escenario de la física, existe un rincón fascinante que desafía todas nuestras intuiciones acerca de la realidad. Este es el reino de la física cuántica, donde las reglas del mundo macroscópico se desdibujan y dan paso a comportamientos extraños y enigmáticos a escala subatómica.

Imaginemos un experimento simple, pero con increíbles consecuencias: el experimento de la doble rendija. En este escenario, una partícula, como un electrón o un fotón, es disparada hacia una barrera con dos rendijas. Uno podría pensar que la partícula debe atravesar una de las rendijas o la otra, como una pelota que pasa por una de dos puertas. Sin embargo, aquí es donde la física cuántica se aparta de nuestras intuiciones clásicas y revela su naturaleza.

Figura 1. Esquema del experimento de la doble rendija. A la izquierda cuando estamos observando, a la derecha cuando no estamos observando. Imagen tomada de: https://institucional.us.es/blogimus/2019/04/y-las-ondas-se-convirtieron-en-particulas/

Cuando no estamos observando, estas partículas parecen tomar un camino que desafía toda lógica: atraviesan ambas rendijas al mismo tiempo, comportándose como ondas de probabilidad en lugar de partículas concretas. Solo cuando intentamos medir cuál de las rendijas cruzaron, el comportamiento se vuelve «normal» nuevamente y la partícula elige una rendija.

Este fenómeno, conocido como la dualidad onda-partícula, es solo la punta del iceberg en la física cuántica, un campo que ha desconcertado a científicos y filósofos durante más de un siglo. En este artículo, exploraremos en detalle el experimento de la doble rendija y cómo desafía nuestras concepciones de la realidad.

La física cuántica

La física o mecánica cuántica, es el fascinante y desconcertante estudio de las partículas subatómicas y las leyes que gobiernan su comportamiento. A diferencia de la física clásica que gobierna el mundo macroscópico, la física cuántica se ocupa de lo increíblemente pequeño: electrones, fotones, protones y otras partículas subatómicas que componen la materia y energía en el universo.

Algunos de los físicos más importantes en el estudio de la mecánica cuántica fueron Max Planck, considerado el padre de la física cuántica y que introdujo el concepto de los “cuantos” de energía para explicar el espectro de radiación del cuerpo negro; Albert Einstein, con su explicación del efecto fotoeléctrico; Niels Bohr, con el modelo atómico de Bohr y que ayudó a explicar la estructura de los átomos; Heisenberg, con el principio de incertidumbre; y Schrödinger, con la creación de la ecuación de Schrödinger que describe la evolución de las funciones de onda de las partículas subatómicas.

En el corazón de la física cuántica se encuentran principios fundamentales que desafían nuestra intuición y lógica clásica:

• Dualidad onda – partícula: Según esta idea, las partículas subatómicas pueden comportarse tanto como ondas como partículas, dependiendo de cómo se observen. Un electrón, por ejemplo, puede exhibir propiedades de onda, o propiedades de partícula, dependiendo de cómo se mida.
• Principio de incertidumbre de Heisenberg: Este principio establece que es imposible conocer con precisión simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula subatómica. Cuanto más intentamos medir una de estas propiedades, menos precisión tenemos en la otra. Esto no se debe a una limitación tecnológica, sino a una característica fundamental del mundo cuántico.
• Superposición: Las partículas pueden existir en múltiples estados o ubicaciones al mismo tiempo. Este fenómeno se conoce como superposición y se explica por el experimento de la doble rendija, donde una partícula puede atravesar ambas rendijas al mismo tiempo.
• Entrelazamiento: Si dos partículas subatómicas están entrelazadas, el estado de una de ellas instantáneamente afectará el estado de la otra, incluso si están separadas por grandes distancias.

Estos principios, junto con otros aspectos de la física cuántica, desafían nuestra comprensión de la realidad y nos sumergen en un mundo de posibilidades por descubrir.

El experimento de la doble rendija

Uno de los experimentos más icónicos e interesantes del mundo de la física cuántica es el experimento de la doble rendija. Esta prueba pone de manifiesto el núcleo mismo de la dualidad onda-partícula y desafía nuestras concepciones tradicionales de la realidad.

Imaginemos un montaje experimental aparentemente sencillo pero extraordinario. En una placa opaca se encuentra una barrera con dos rendijas estrechas: la rendija A y la rendija B. Detrás de esta barrera, se coloca un detector sensible, una superficie fotográfica o un detector de partículas, para registrar el comportamiento de las partículas que pasen a través de las rendijas.

Se inyecta una corriente de partículas, como electrones o fotones, hacia la barrera. Según la física clásica, uno podría esperar que cada partícula pase por una de las rendijas, como una pelota que pasa por una de dos puertas. Sin embargo, lo que revela el experimento es desconcertante.

Cuando no estamos observando el proceso, las partículas se comportan de manera aleatoria. En lugar de tomar un camino definido, como lo haría una pelota, las partículas cuánticas parecen tomar todos los caminos posibles a la vez. Esto se manifiesta como un patrón de interferencia en la pantalla de detección detrás de las rendijas, similar al patrón que se observa cuando dos ondas se superponen y crean crestas y valles.

Figura 2. Comportamiento de las partículas cuando no estamos observando. Imagen tomada de: https://blogs.20minutos.es/ciencia-para-llevar-csic/2015/11/12/el-experimento-fisico-mas-hermoso-de-todos-de-los-tiempos-la-doble-rendija/

Sin embargo, cuando intentamos observar cuál de las dos rendijas cruzó la partícula, el comportamiento cambia. La partícula se comporta como una partícula clásica, eludiendo el patrón de interferencia y pasando a través de una sola rendija, como si realmente supiera que estaba siendo observada. Este se conoce como el colapso de la función de onda.

Figura 3. Comportamiento de las partículas cuando estamos observando. Imagen tomada de: https://blogs.20minutos.es/ciencia-para-llevar-csic/2015/11/12/el-experimento-fisico-mas-hermoso-de-todos-de-los-tiempos-la-doble-rendija/

Este hecho ha dado lugar a diversas interpretaciones y teorías que buscan explicar la naturaleza de este comportamiento dual. Entre las interpretaciones más conocidas se encuentran la Interpretación de Copenhague, que postula que la observación colapsa la función de onda.

Este experimento plantea preguntas sobre la naturaleza de la realidad a escalas subatómicas. A medida que exploramos las implicaciones de este experimento y su relación con la física cuántica en su conjunto, nos adentramos en un mundo donde la intuición clásica ya no es suficiente y la realidad se despliega en formas inesperadas y asombrosas.

Aplicaciones prácticas

Aunque el experimento de la doble rendija es un fenómeno altamente conceptual que desafía nuestra comprensión de la realidad, sus conceptos y principios tienen aplicaciones prácticas en diversas áreas de la ciencia y la tecnología.

• Criptografía cuántica: Se basa en el principio de la incertidumbre de Heisenberg. Permite la creación de sistemas de comunicación seguros en los que la observación o la alteración de la información por un tercero se detecta de inmediato.
• Computación cuántica: Se basa en las propiedades de superposición y entrelazamiento cuántico. Los bits cuánticos o qubits pueden representar múltiples estados a la vez, lo que hace que los ordenadores sean potencialmente mucho más potentes que los ordenadores clásicos en ciertas tareas.
• Microscopía cuántica: Utiliza propiedades cuánticas de la luz, como la superposición y el entrelazamiento, para mejorar la resolución y la precisión en la observación de objetos muy pequeños, como átomos y moléculas.
• Electrónica cuántica: La electrónica cuántica se basa en el control y la manipulación de electrones en dispositivos a nivel cuántico, creando dispositivos más eficientes y rápidos, como transistores cuánticos o dispositivos de almacenamiento de datos.

Estas son solo algunas de las aplicaciones prácticas que se derivan de los principios y conceptos fundamentales explorados en el experimento de la doble rendija y en la física cuántica en general. A medida que nuestra comprensión de la física cuántica avanza, es probable que surjan más aplicaciones innovadoras en diversas áreas de la ciencia y la tecnología.

Conclusiones

La física cuántica y el experimento de la doble rendija nos ha llevado a explorar los misterios más profundos de la realidad. Desde los conceptos fundamentales de la dualidad onda-partícula y el principio de incertidumbre de Heisenberg hasta las aplicaciones prácticas en criptografía y computación cuántica.

Este experimento nos demuestra que el mundo subatómico es un lugar de sorpresas y paradojas, donde las partículas pueden comportarse como ondas de probabilidad y donde la observación misma puede alterar el comportamiento de lo observado.

Sin embargo, también debemos recordar que la física cuántica es un campo de estudio en constante evolución. Las preguntas sin respuesta y las interpretaciones en curso, como la Interpretación de Copenhague, nos recuerdan que el mundo subatómico aún alberga misterios por descubrir. A medida que avanzamos en la investigación y la tecnología cuántica, es inevitable pensar en las sorpresas que el futuro deparará.

Este artículo ha sido redactado por el equipo de Microbacterium.es  de forma exclusiva para Dciencia. Artículo redactado por Julen Pastor, y editado por Equipo de Microbacterium, que forma parte de sharescience.es

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Referencias

Giacosa, N. S., Galeano, R., Zang, C. M., Maidana, J. A., & Such, A. (2019). Experimento de la doble rendija de Young: análisis de libros de texto universitarios.

Idarraga Montoya, C. (1994). Vistazo al mundo cuántico: el experimento de doble rendija. Revista Universidad EAFIT, 30(95), 99-104.

French, A. P., & Taylor, E. F. (2012). Introducción a la física cuántica. Reverté.

https://institucional.us.es/blogimus/2019/04/y-las-ondas-se-convirtieron-en-particulas/

https://blogs.20minutos.es/ciencia-para-llevar-csic/2015/11/12/el-experimento-fisico-mas-hermoso-de-todos-de-los-tiempos-la-doble-rendija/