Sheldon y el experimento de la doble rendija

Este experimento al que hace referencia Sheldon en el capítulo piloto de la serie -y que por desgracia se encuentra mal explicado en el doblaje al castellano- resume por sí todo el misterio y el encanto de la mecánica cuántica, la parte de la física que describe el comportamiento de los átomos y las partículas subatomicas.

Es un fenómeno imposible de explicar con la física clásica, la de Galileo y Newton. En 2002 desde la revista Physics World se preguntó a los físicos cuál sería a su juicio el experimento más bello de la historia: éste fue el que se llevó el premio. Pero lo sorprendente es que desde su planteamiento teórico hasta su realización práctica pasaron más de 30 años. Inicialmente era un experimento mental, pero en 1961, con la teoría cuántica ya firmemente asentada, Claus Jönsson de la universidad de Tubinga lo realizó por primera vez y lo publicó en la revista Zeitschrift für Physik.

Todo comenzó en 1801, cuando Thomas Young enunció su ley general de interferencia de la luz. Uno de los experimentos consistía en iluminar con luz un cartón en el que se habían practicado dos pequeñas incisiones para observar lo que se producía en la pantalla situada detrás.

[[{"fid":"22","view_mode":"default","fields":{"format":"default","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Imagen que se forma al interferir dos ondas de igual frecuencia."},"type":"media","attributes":{}}]]

La situación es idéntica a lo que sucede cuando las olas se cuelan por un malecón con dos aberturas no muy grandes y no demasiado separadas: cada rendija se convierte en foco de nuevas olas que interfieren con las de la otra rendija formando un llamativo patrón a lo largo de la playa. Lo que se observa es una franja luminosa en un punto de la pantalla justo enfrente del que se encuentra a mitad de camino entre ambas rendijas, luego una zona de oscuridad a ambos lados, después otra de luz menos intensa, y así sucesivamente. Esto es el patrón de interferencia, una figura que sólo puede formarse si la luz es una onda, que era lo que Young defendía en contra de la opinión de Newton.

Ahora introduzcamos un pequeña variante a este experimento. Primero, imaginemos una metralleta que dispara balas contra un dispositivo como el de Young (convenientemente modificado) pero de manera que a cada agujero le hemos añadido un obturador de modo que podamos cerrarlo a conveniencia. Por supuesto, los agujeros tienen el tamaño justo para que pase la bala. Empezamos a disparar nuestra metralleta, con uno de los dos agujeros cerrado. Al final encontramos que –salvo aquellas pocas que han golpeado contra los bordes del agujero y han salido rebotadas en una dirección totalmente impredecible– las balas se han acumulado en la pared delante del agujero que estaba abierto. Si ahora abrimos el otro agujero, en la pared se formarán dos acumulaciones de balas delante de cada uno de los agujeros. Lo importante es que la forma que tienen de agruparse las balas en la pared del fondo es independiente de si el otro agujero está abierto o cerrado.

Ahora hagamos este mismo experimento con luz. Si cerramos uno de los agujeros en la pantalla se formará una mancha de luz brillante en el borde que va perdiendo intensidad hacia los extremos. Pero si abrimos el segundo agujero veremos que, al contrario que con las balas, se forma el patrón de interferencia descubierto por Young. Esto es, la figura que se produce en la pantalla depende de si tenemos abierto o cerrado el segundo agujero.

¿Qué sucede si hacemos lo mismo con electrones? Si tapamos uno de los agujeros veremos el mismo patrón que en el primer experimento con las balas. Sin embargo, y esto es lo realmente extraño, si abrimos el segundo orificio lo que veremos aparecer en la pantalla es ¡el patrón de interferencias del experimento con la luz! Esto es lo que observó Davidsson en los Laboratorios Bell en 1927: los electrones actúan como si fueran olas en un estanque.

Podríamos pensar que como estamos enviando un chorro de electrones, estos interaccionan entre sí al pasar por las dos rendijas a la vez y se interfieren como si fueran "ondas de materia". Para convencernos de nuestra idea rebajamos la cadencia de tiro de nuestro cañón de electrones para disparar de uno en uno. Nuestra pantalla del fondo está cubierta de minidetectores que sueltan un clic cada vez que un electrón impacta contra ellos (y no olvidemos que detectan partículas, no ondas). Así que empezamos a disparar electrones de modo que el cañón no dispara el siguiente electrón hasta que no suene el correspondiente clic del anterior, lo que nos asegura que ya ha llegado a la pantalla. Después de dejar pasar un tiempo prudencial, y estar seguros de que hemos lanzado varios miles de electrones, descubrimos sorprendidos que la imagen resultante es el clásico patrón de interferencia ondulatorio. ¿Cómo es posible? ¿Es que el electrón interfiere consigo mismo? Eso parece. Pero si se comporta como una onda, ¿cómo es posible que oigamos el clic del contador, que nos dice que allí ha llegado una partícula?

Veámoslo de otro modo: si se produce un patrón de interferencias es que el electrón pasa por las dos rendijas a la vez e interfiere consigo mismo, que es lo que hacen las ondas. Pero si lo detecta el Geiger en la pantalla, es que es una partícula. ¡Una locura!

¿Realmente el electrón pasa por las dos rendijas? Eso es fácil de comprobar. Pongamos un detector en una de ellas de modo que sepamos por dónde pasa y repitamos el experimento. Al hacerlo nos espera una nueva sorpresa: los electrones dejan de comportarse como ondas y obtenemos el resultado de nuestro experimento con balas: solo los contadores que se encuentran enfrente de cada una de las rendijas se activan mientras que el resto, muchos de los que soltaron su clic en el experimento anterior, permanecen mudos. Como era de esperar en el caso de las partículas, cada electrón ha seguido un camino a través de una de las rendijas y ha dejado su huella en la pantalla.

Para explicar este extraño comportamiento, los físicos dicen que el electrón lleva asociada una “función de onda” que, en un principio, se extiende por todo el universo. Esta función de onda es la que queda descrita matemáticamente por la ecuación de Schrödinger, que también nos explica cómo interaccionan estas ondas entre sí. Además, esta función de onda mas “intensa” en una región del espacio determinada, la que corresponde a la posición en la que uno esperaría encontrar al electrón, y se va debilitando a medida que nos alejamos de ella, pero no desaparece nunca. Así pues la información que nos proporciona la función de onda es la probabilidad de encontrar al electrón en una región determinada del espacio y es mayor en el lugar donde, según nuestra forma de ver cotidiana, debe estar. Cuando detectamos el electrón la función de onda se “colapsa” y, en ese instante, sabemos con toda certeza dónde se encuentra. Pero en el momento en que dejemos de hacerlo “la función de onda se expande de nuevo por todo el espacio e interfiere con las funciones de onda de otros electrones, e incluso, bajo determinadas condiciones, con la suya propia”, comenta el físico John Gribbin.