NeoFronteras

Reevalúan el experimento de la doble rendija

Área: Física — lunes, 6 de junio de 2011

Han vuelto a realizar el experimento de la doble rendija para mostrar que pueden seguir la trayectoria promedio de varias partículas aunque sea imposible definir la trayectoria individual de cada una de ellas.

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Esquema del experimento habitual de la doble rendija. Fuente: Preston Huey/Science.

Si se pudiera dar un premio a la belleza a un experimento de la Mecánica Cuántica uno de los candidatos sería, sin duda el experimento de la doble rendija.
El montaje es como sigue. Una fuente de luz dirige sus fotones hacia una lámina opaca a las que le han practicado dos perforaciones en forma de rendijas paralelas. La luz pasa simultáneamente por las dos rendijas y los haces resultantes interfieren entre sí debido a la naturaleza ondulatoria de la luz. Eso se manifiesta en una pantalla de proyección, colocada después la lámina y que es paralela a ella, como una serie de franjas, típico patrón de interferencias y manifestación de su naturaleza ondulatoria. Hasta aquí nada nuevo que la Física Clásica no describa perfectamente. De hecho, este experimento se hizo de ese modo hace ya 200 años cuando todavía no había Mecánica Cuántica.
Ahora viene lo interesante. Supongamos que disminuimos la intensidad de la fuente luminosa de tal modo que sólo hay un fotón cada vez. Si colocamos una película fotográfica sobre la pantalla para que vaya acumulando impactos de fotones veremos que al cabo de un tiempo (y una vez revelada la película) se muestra el mismo patrón de interferencia. Esto es un poco extraño pues si sólo hay un fotón cada vez no puede interferir con los demás para formar el patrón de interferencia. Lo que sucede se puede interpretar como que cada fotón pasa por las dos rendijas e interfiere con él mismo.
Pero ricemos el rizo. Supongamos ahora que colocamos en las rendijas (da igual exactamente dónde) un sistema que detecte por cuál de las dos pasa el fotón. Entonces el patrón de interferencia desaparece. Si averiguamos la trayectoria del fotón entonces éste deja de comportarse como una onda para comportarse como una partícula, simplemente al medir.
Este mismo experimento se puede hacer con partículas elementales como electrones, neutrones o protones. Incluso se planteado hacerlo con virus.
Lo que ocurre es que con la medición sobre las rendijas estamos forzando una determinada naturaleza de las partículas. Un experimento no es más que una pregunta que hacemos a la Naturaleza y en función de cómo sea éste nos contesta de una manera u otra. La “verdadera” y “última” naturaleza de la luz (o de cualquier otro ente físico) es inasible, inalcanzable. Nos tenemos que conformar con que los resultados de un experimento encajen mejor o peor con los modelos (todos ellos culturales) que nosotros hemos creado.
Una manera de interpretar este tipo de resultados es con el principio de incertidumbre, que sostiene que es imposible definir simultáneamente y con gran precisión la cantidad de movimiento y posición de una partícula.
El experimento nos dice que no se puede saber la cantidad de movimiento (o momento) o, lo que es lo mismo, el ángulo con el que sale de la rendija y la posición del fotón o por qué rendija ha pasado, y esto hace imposible determinar el camino exacto seguido por el mismo.
Ahora un grupo internacional de físicos ha vuelto a realizar este experimento para mostrar que pueden seguir la trayectoria promedio de varias partículas aunque sea imposible definir la trayectoria individual de cada una de ellas. Según lo investigadores, este resultado muestra los límites de lo que podemos saber y que no tiene por qué ser o blanco o negro como hasta ahora habíamos pensado en este caso.
Según Sandu Popescu, físico teórico de la Universidad de Bristol y que no participó en este estudio, este experimento es completamente nuevo y es más profundo y está diciendo mucho más que el experimento original.
Según estos físicos se puede extraer más información de este tipo de experimento. El truco consiste en hacer medidas del momento de cada fotón tan débiles que no revelan esencialmente nada acerca de él. Para ello los investigadores jugaron con la polarización de la luz. Cada fotón puede ser polarizado en dos estados mutuamente excluyentes (polarización a izquierdas o a derechas) y, gracias a la superposición permitida por la Mecánica Cuántica hacer que estén en esos dos estados a la vez.
Empezaron por una mezcla del 50% de los dos estados de polarización, que es el incertidumbre más alta posible, y la polarización medida de cada fotón será, con una probabilidad del 50%, uno de los dos casos al azar.
Después de salir de las rendijas hicieron pasar a los fotones por un cristal de calcita y dependiendo del ángulo con el que atraviesan la calcita se descompensa esa relación del 50%. El efecto no revela mucho acerca del momento de cada fotón, a diferencia de una medida sobre la polarización de cada unos de ellos, pero puede revelar el momento promedio de muchos fotones.
Para extraer la información los investigadores hicieron pasar los fotones por otro dispositivo antes de que alcanzaran la pantalla. Esto medía la polarización de cada fotón y desviaba los polarizados a izquierda hacia arriba y los polarizados a la derecha hacia abajo. Entonces salían dos patrones de interferencia uno justo por encima del otro sobre la “pantalla”.
Para cada posición horizontal de la pantalla los investigadores podían comparar intensidades de los dos patrones para así determinar el promedio de mezcla de polarización y, por tanto, el momento de los fotones que alcanzaban esa posición. Con esa información pudieron trazar las trayectorias promedios de los fotones mediante la repetición del proceso y cambiando la posición del cristal del calcita.
Las trayectorias encajan bien con lo predicho por la interpretación de la Mecánica Cuántica (MC) denominada de onda piloto. Según esta interpretación cada partícula tiene una trayectoria bien definida y pasa por una de la rendijas en concreto, pero lleva asociada una onda que pasa por las dos rendijas. La interpretación tradicional de la MC desestima la noción de trayectoria y mantiene que no tiene sentido preguntar por el valor de una variable, como el momento, si no ha sido medido.
El experimento no viola las leyes de la Mecánica Cuántica, cada fotón individual cruza las dos rendijas a la vez, pero permite una mejor comprensión de la teoría. “Según los libros de texto si no preguntas acerca de la posición de los fotones en el sistema entonces no deberías ni discutirla. Creo que alguna gente está empezando a reconsiderar eso”, dice Aephraim Steinberg. Según este investigador no es necesario interpretar el principio de incertidumbre de una manera tan rígida como ha venido haciéndose hasta ahora y que otras interpretaciones, como el de la onda piloto, puede ayudar a pensar de otras maneras.
Según David Deutsch, de la Universidad de Oxford, el experimento no dice nada nuevo acerca del funcionamiento del Universo. Según él el resultado se podría haber sido obtenido mediante un simple cálculo usando una computadora y las ecuaciones de la MC.
Según el grupo de Steinberg el experimento podría tener aplicaciones practicas. Creen que podría mejorar el funcionamiento de las puertas lógicas en computadores cuánticos, permitiendo a las puertas repetir operaciones que han fallado previamente.
Independientemente de si este experimento es importante o no, al menos a nosotros nos ha servido para repasar la Mecánica Cuántica un poquito.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3514

Fuentes y referencias:
Noticia en Science.
Noticia en Scientific American.
Noticia en Nature.
Artículo original.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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10 Comentarios

  1. pablo:

    Buenísimo, totalmente de acuerdo con Steinberg, hay que seguir estrujando el cerebro y no quedarse sólo con lo establecido, hay que tener bolas, no como Deutsch que hace comentarios fuera de lugar con envidia y sin hacer ciencia.

  2. Nemo:

    El planteamiento es muy interesante; creo que puede dar para más. Por otra parte, con carácter general, creo que el lenguaje puede generar alguna confusión cuando usamos la misma palabra “cruzar” tanto para estados cuánticos (las 2 rendijas a la vez) como para clásicos o colapsados (la rendija con detector). Sospecho que son conceptos distintos. ¿Podríamos decir “q-cruzar” en el primer caso (sugiero)?

  3. lluís:

    Esa onda piloto,¿no es la onda piloto de Bhom?.Si lo fuera podría acabar con muchos de los problemas de la MC..pero supongo que el observador sigué ahí colapsando la función de onda.Pues la verdad es que no veo tan descabellado lo que dice Deustche.No parece que el experimento diga mucho de nuevo sobre el Universo,a parte de una mayor finura en las medidas y alguna aplicación posible.
    Lo cierto es que la realidad sigue dependiendo de los modelos.Según modelo tienes una realidad u otra,
    Saludos

  4. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Sí, se trataría de esa onda piloto. Aunque el problema de las interpretaciones es que son interpretaciones sobre los mismos resultados. Básicamente no se ha diseñado ningún experimento que distinga entre las distintas interpretaciones serias propuestas.

  5. Xoco:

    Espectacular nueva demostración del teórico Efecto Casimir si se confirma el experimento, otro pequeño pasito más de la ciencia para la comprensión del todo:

    http://www.abc.es/20110607/ciencia/abci-cientificos-crean-nada-201106070939.html

  6. NeoFronteras:

    Sí, esa es otra noticia que está “en cola”, pero a este paso habrá que sacrificar alguna. No da tiempo para redactar todas las interesante. Y hay épocas en las que no hay ninguna interesante. Cosas de las estadística.

  7. Miguel Angel:

    Gran noticia la que comenta Xoco, mil gracias y a Neo también gracias por anticiparnos que va a salir.

  8. lexval:

    Para un simple aficionado, es dificil entender aquello de que cuando ponés un detector para seguir la trayectoria de un fotón, deja de observarse el patrón de interferencia, se puede deducir que el fotón “detecta” el detector y caprichosamente cambia de comportamiento, no lo entiendo? si alguien me explica por favor?

    Saludos

  9. NeoFronteras:

    Es una de las características extrañas de la MC. La Naturaleza se comporta de distinta manera según la observemos.

  10. Experimento:

    Wow… que interesante. Y pensar que realizamos éste experimento en el laboratorio de la facultad, pero no fuimos tan tan lejos con las explicaciones. Es curioso, pero aún no termino de entender el porque del comportamiento como fotón o como onda de la luz… es todo un misterio para mi :S

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