Experimento de la doble rendija: dualidad onda-partícula en mecánica cuántica
Descubre el experimento de la doble rendija: explicación clara de la dualidad onda-partícula en mecánica cuántica, desde Young hasta electrones y medición.
El experimento de la doble rendija de la mecánica cuántica es un experimento realizado por primera vez por el físico Thomas Young en 1801. Demuestra que la luz tiene tanto una naturaleza o característica de onda como una naturaleza o característica de partícula, y que estas naturalezas son inseparables. Así, se dice que la luz tiene dualidad onda-partícula en lugar de ser sólo una onda o sólo una partícula. Lo mismo ocurre con los electrones y otras partículas cuánticas.
Descripción del experimento
El montaje básico consiste en una fuente coherente de partículas (por ejemplo, luz monocromática o un haz de electrones), una placa con dos rendijas próximas entre sí y una pantalla o detector situado detrás de esas rendijas. Si la fuente emite ondas y ambas rendijas están abiertas, las ondas que pasan por cada rendija se superponen y producen un patrón de interferencia en la pantalla: franjas brillantes y oscuras para la luz, o variaciones en la probabilidad de impacto para partículas.
Resultados y su interpretación
- Patrón de interferencia: cuando ambas rendijas están abiertas y no se mide por cuál rendija pasa la partícula, aparece un patrón de interferencia que indica comportamiento ondulatorio.
- Comportamiento corpuscular: si se coloca un detector que determina por cuál rendija pasa la partícula (información de trayectoria o which-path), el patrón de interferencia desaparece y las partículas se comportan como si pasaran por una rendija u otra.
- Intensidad baja: incluso emitiendo partículas de una en una (fotones o electrones), con el tiempo las detecciones individuales acumuladas revelan el mismo patrón de interferencia. Esto muestra que cada partícula exhibe propiedades de onda al propagarse y de partícula al ser detectada.
Explicación cuántica básica
En la formulación cuántica, la partícula está descrita por una función de onda ψ. Si las amplitudes asociadas a pasar por la rendija 1 y la rendija 2 son ψ1 y ψ2, la probabilidad de detección en un punto de la pantalla es proporcional a |ψ1 + ψ2|². La presencia del término cruzado 2Re(ψ1*ψ2) da lugar a las franjas de interferencia. Cuando se obtiene información sobre la trayectoria, se destruye la coherencia entre ψ1 y ψ2 y esos términos de interferencia desaparecen.
Conceptos relacionados
- Dualidad onda-partícula: la misma entidad puede mostrar propiedades ondulatorias o corpusculares según cómo se la mida.
- Principio de complementariedad (Bohr): información sobre la onda y sobre la partícula son complementarias; medir una propiedad impide observar completamente la otra.
- Decoherencia y detección: el acto de medir la trayectoria o la interacción con un entorno provoca pérdida de coherencia cuántica y elimina el patrón de interferencia.
- Relación de incertidumbre: intentos de conocer con precisión la posición (por ejemplo, por cuál rendija pasó) imponen límites en la información sobre el momentum y pueden explicar por qué desaparece la interferencia.
Variantes modernas y experimentos notables
- Electrones y neutrones: el experimento se ha realizado con electrones, neutrones y átomos, confirmando la universalidad de la dualidad.
- Experimento de elección retardada (delayed choice): muestra que la decisión de medir o no la trayectoria puede tomarse después de que la partícula haya pasado por las rendijas, planteando preguntas sobre causalidad y la naturaleza de la medición.
- Borrador cuántico (quantum eraser): en algunos arreglos es posible «borrar» la información de trayectoria después de su adquisición y recuperar el patrón de interferencia en subensembles de datos.
Implicaciones y aplicaciones
El experimento de la doble rendija es central para la interpretación de la mecánica cuántica y nos obliga a replantear conceptos clásicos de realidad y medición. Además, los principios que ilustra (superposición, coherencia e interferencia) son fundamentales en tecnologías como la interferometría, la microscopia electrónica y el desarrollo de qubits y algoritmos en computación cuántica.
Notas técnicas sencillas
- La longitud de onda asociada a una partícula se relaciona con su momento mediante la relación de de Broglie: λ = h/p, donde h es la constante de Planck.
- Para observar franjas bien definidas hay que respetar condiciones de coherencia (fuente coherente, separación y anchura de rendijas adecuadas respecto a la longitud de onda).
En resumen, el experimento de la doble rendija ilustra de manera clara y profunda que en el mundo cuántico la distinción entre onda y partícula no es absoluta: la naturaleza observada depende del tipo de medición realizada y del grado de coherencia del sistema.
Las hendiduras; distancia entre los postes superiores aproximadamente una pulgada.
El experimento
La versión básica de este experimento es muy sencilla. Sólo requiere un dispositivo de doble hendidura como el de la imagen, algo que mantenga quieto el dispositivo de doble hendidura y un buen láser como el que utilizan los obreros para "dibujar" líneas rectas cuando construyen. El láser está apoyado para que sólo se pueda mover a propósito. Se apunta al punto central entre las dos rendijas desde un punto a medio metro de distancia. Se coloca algo como una pantalla de cine o una pared blanca y lisa al otro lado del dispositivo de doble rendija a varios metros de distancia. Cuando todo esté fijado, aparecerá un patrón de bandas claras y oscuras.
Los láseres pueden producir uno o más fotones cuando se les da una cierta cantidad de electricidad. El fotón o los fotones salen de un agujero muy pequeño en un periodo de tiempo bien conocido. La velocidad de la luz es conocida, por lo que se puede predecir el tiempo en que los fotones aparecen en la pantalla. Cuando los fotones se producen de uno en uno, lo que aparece en la pantalla son puntos de luz individuales. Si los fotones fueran ondas, entonces esperaríamos que se extendieran al viajar y se extendieran por una amplia zona de la pantalla, pero eso nunca ocurre. Si los fotones fueran partículas, entonces esperaríamos que aparecieran en dos puntos de la pantalla conectados al láser a través de las dos rendijas del centro. Pero tampoco es eso lo que ocurre.
Cuando Thomas Young hizo este experimento, no tenía láser. Lo entendió imaginando que la luz era como ondas de agua. Pensó que las ondas de luz se movían desde la fuente de luz como las ondas que se extienden desde un guijarro arrojado a un estanque, y que cuando los frentes de onda chocan con las dobles rendijas, entonces la onda original pasa por las dos rendijas y a partir de ahí hay dos ondas diferentes. Era fácil averiguar cómo dos ondas interactuarían para producir las bandas brillantes y las bandas oscuras (a menudo llamadas "franjas") en la pantalla. Dijo que había demostrado la teoría de que la luz son ondas.
Pero había grandes problemas. La luz no aparecía en la pantalla como ondas que la atravesaban. La luz pasó a entenderse como enjambres de fotones que golpeaban individualmente la pantalla de detección. Y, muy sorprendentemente, un solo fotón podía interferir consigo mismo como si fuera una sola onda que se ajustaba a la antigua descripción de las ondas. Se dividía en dos ondas en el dispositivo de doble rendija y luego se combinaban en la pantalla.
J es la distancia entre franjas. J = Dλ/B "D" = dist. S2 a F, λ = longitud de onda, B = dist. a a b
El mismo dispositivo, una rendija abierta frente a dos rendijas abiertas (Observe las 16 franjas.)
Importancia para la física
El experimento de la doble rendija se convirtió en un clásico por su clara explicación de los enigmas centrales de la mecánica cuántica.
Importancia para la filosofía
El experimento de la doble rendija ha sido de gran interés para los filósofos, ya que el comportamiento mecánico cuántico que muestra les ha obligado a replantearse sus ideas sobre conceptos clásicos como:
- "partículas",
- "olas",
- "ubicación",
- "movimiento de un lugar a otro" y
- "observación".
La experiencia en el micromundo de las partículas subatómicas nos obliga a reconceptualizar algunas de nuestras ideas más corrientes.[why?]
Otros sitios web
- La física cuántica explica el experimento de la doble rendija (viñeta de la película "¿Qué sabemos?")
- Película del experimento de la doble rendija realizado con electrones. Se puede ver cómo los electrones individuales chocan contra la pantalla, y se puede ver cómo se acumulan las franjas con el tiempo.
Imagen en movimiento que muestra cómo una serie de ondas golpea una doble rendija y produce dos series de ondas que interfieren entre sí.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el experimento de la doble rendija?
R: El experimento de la doble rendija de la mecánica cuántica es un experimento realizado por primera vez por el físico Thomas Young en 1801. Demuestra que la luz tiene tanto una naturaleza de onda como de partícula, y que estas naturalezas son inseparables.
P: ¿Quién realizó por primera vez el experimento de la doble rendija?
R: El experimento de la doble rendija fue realizado por primera vez por el físico Thomas Young en 1801.
P: ¿Qué muestra el experimento de la doble rendija?
R: El experimento de la doble rendija demuestra que la luz tiene tanto una naturaleza de onda como de partícula, y que estas naturalezas son inseparables. Por tanto, se dice que la luz tiene dualidad onda-partícula en lugar de ser sólo una onda o sólo una partícula. Lo mismo ocurre con los electrones y otras partículas cuánticas.
P: ¿Es posible que la luz sea sólo una onda o sólo una partícula?
R: No, no es posible que la luz sea sólo una onda o sólo una partícula, sino que tiene las propiedades de las ondas y de las partículas simultáneamente - este fenómeno se conoce como dualidad onda-partícula. Esto también se aplica a los electrones y a otras partículas cuánticas.
P: ¿Qué tipo de dualidad tiene la luz?
R: La luz tiene lo que se conoce como "dualidad onda-partícula" - lo que significa que tiene las propiedades de las ondas y de las partículas simultáneamente. Esto también se aplica a los electrones y a otras partículas cuánticas.
P: ¿Se aplica lo mismo a los electrones?
R: Sí, el mismo principio de tener ambas propiedades de ondas y partículas simultáneamente -conocido como "dualidad onda-partícula"- se aplica también a los electrones y a otras partículas cuánticas.
P: ¿Cuándo se conoció este fenómeno como "dualidad onda-partícula"?
R: La dualidad onda-partícula se aceptó ampliamente después de que los experimentos de Thomas Young en 1801 con el experimento de la doble rendija demostraran que la luz tenía simultáneamente las propiedades de las ondas y de las partículas
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