Este me parece un motivo magnífico para hablar del experimento de la doble rendija de forma que podamos intuir los secretos que esconde.
Además, el señor Richard Feynman dijo de la versión de este experimento que vamos a explicar aquí:
A phenomenon which is impossible … to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery of quantum mechanics
Un fenómeno que es imposible… de explicar de forma clásica, y que contiene en él el corazón de la mecánica cuántica. De hecho, contiene el único misterio de la mecánica cuántica
Me parece que es una motivación más que suficiente para dedicarle una entrada. A ver si entre todos podemos entender por qué Feynman dijo esto de este experimento.
Un mundo de ondas y partículas
En el siglo XIX el mundo se estructuraba en constituyentes bien definidos, estos eran las partículas y las ondas.
Partícula: Sistema físico localizable que tiene una masa definida. Su característica esencial es que puede colisionar con otras partículas. En las colisiones hay, generalmente, transferencia de energía y cambios de dirección en el movimiento de las partículas. Otro punto importante es que en su evolución sigue un camino en el espacio que llamamos trayectoria.
Onda: Las ondas son perturbaciones que se propagan con cierta periodicidad. Su característica esencial es que pueden interferir. Es decir, cuando dos ondas se cruzan se producen zonas donde las ondas se refuerzan y otras zonas donde las ondas se compensan. Al dejar la zona de interferencia las ondas se siguen propagando como si nada hubiera ocurrido.
El experimento de la doble rendija pone todo esto patas arriba y destruye nuestra concepción, tan ordenadita ella, de lo que es partícula y lo que es onda.
Las partículas visitan la doble rendija
Supongamos que tenemos un saco de partículas y hemos puesto una pared con dos rendijas (con la anchura justa para que pase una partícula por ella) y a una determinada distancia una pantalla donde registraremos los impactos de las partículas que le llegan.
Lo que encontramos es lo siguiente:
Lo que vemos es que las partículas que logran cruzar por alguna rendija colisionan en la pantalla y dejan una marca bien definida. Nada sorprendente.
Turno de las ondas en la doble rendija
Ahora supongamos que tenemos una fuente puntual que genera una onda. Como sabemos cuando llegue a la doble rendija cada una de ellas se comportará como un nuevo foco de emisión. Así que detrás de la doble rendija tendremos dos ondas que interferirán. La pantalla registrará de algún modo la interferencia:
La marca que encontramos en la pantalla es del tipo:
Donde vemos que hay marcas más intensas donde llega las ondas reforzandose intercaladas con marcas oscuras que son las zonas donde las dos ondas interfieren compensándose (lo típico en una interferencia).
Lancemos electrones
Lógico, si tenemos electrones a nuestra disposición lo normal es que los metamos en la doble rendija a ver qué sale. Lo que uno espera es que el resultado sea el de las partículas.
Para llevar a cabo esto lo que hacemos es poner una pistola de electrones que los dispara de uno en uno. Y vamos viendo lo siguiente:
1.- Cuando llevamos pocos electrones lanzados nuestra pantalla registra impactos. Lógico, estamos tratando con partículas.
2.- Conforme aumentamos el número de electrones lanzados empieza a pasar algo raro. En la pantalla siguen impactando como partículas, se puede ver la marca, pero resulta que lo que nos está saliendo es un patrón de interferencia.
Alguien me puede explicar qué está pasando aquí…
La verdad es que no, que nadie puede. Lo que estamos viendo es que hay una cosa, el electrón, que inicialmente pensamos que es una partícula y eso se confirma con los impactos en la pantalla. Sin embargo, luego nos muestra un patrón de interferencia, como si fuese una onda, es decir que en su propagación desde el foco emisor hasta la pantalla ha pasado por las dos rendijas y ha interferido.
Esto pone de manifiesto que las cosas, a ciertos niveles, no son ni ondas ni partículas. Que en realidad esos conceptos no son útiles para explicar el comportamiento de determinados sistemas, aquellos regidos por la mecánica cuántica, así que nos perdemos en cosas como dualidad onda-partícula y otras comeduras de tarro.
Pero es que la cosa se pone más interesante. Imaginemos que ahora decimos, no pasa nada, yo ahora voy a ver por qué rendija ha pasado el electrón. Para ello pongo un detector justo detrás de ella. Ahora suponemos que el electrón se comporta como una onda desde que sale del foco emisor hasta la pantalla. Por lo tanto en la pantalla deberíamos de ver una mancha más o menos continua llena de puntitos de colisiones de electrones.
Sin embargo lo que encontramos es que no hay onda por ningún sitio y sólo vemos una mancha justo en frente de la rendija:
Doble rendija con una de las rendijas tapadas.
No hay ni rastro del comportamiento ondulatorio. Es decir, que si nos empeñamos en saber por cuál rendija ha pasado el electrón el patrón de interferencia se pierde.
Esto es alucinante, porque estos bichos se comportan como partículas o como ondas dependiendo del dispositivo experimental al que los enfrentes. Si quieres estudiar características ondulatorias pues las obtendrás y si quieres estudiar características de partícula también las obtendrás. Pero jamás podrás diseñar un experimento en el que ambas características se presenten a la vez. Y eso es lo que nos trae de cabeza con el tema este de la cuántica.
El secreto de la cuántica
Feynman dijo que este experimento contenía todos los secretos de la cuántica por muchas razones. Enumeraré algunas de ellas:
– En principio nos tenemos que olvidar del concepto de trayectoria. Si uno deja a los entes cuánticos evolucionar libremente no podemos saber por donde se mueven. Esto implica que no podemos tener información simultánea de su posición y su momento (ingredientes básicos para determinar la trayectoria). Así que en cierto modo ahí tenemos el principio de indeterminación de Heisenberg.
– Este experimento además demuestra que nuestros conceptos clásicos de partículas y ondas no son absolutos. La naturaleza nos dice que hay cosas que no son ni ondas ni partículas y que sin embargo si las forzamos experimentalmente a comportarse como ondas o partículas lo harán. Esta es la base de que podamos usar la ecuación de Schrödinger para describir «partículas» cuánticas. Dicha ecuación en realidad no es más que una ecuación de ondas.
– En este experimento uno no sabe dónde en qué punto de la pantalla impactará un electrón lanzado a la doble rendija. Lo que podemos saber es que hay mayor o menor probabilidad de que impacte en una zona u otra (zonas claras o zonas oscuras). Así que esto nos está diciendo que en el mundo cuántico hemos de olvidarnos de certezas teóricas y hacer predicciones dando la probabilidad de que ocurran varias posibilidades todas ellas permitidas por la física.
Creo que por el momento está bien así. En breve hablaremos de una diablura de Feynman con la doble rendija. Os dejo una pregunta: ¿Qué pasa si ponemos tres rendijas, o cuatro…. o infinitas desde el foco a la pantalla? 😉
Nos seguimos leyendo…
Añadido:
Aquí hemos hablado de electrones, pero este experimento ha sido llevado a cabo con otras partículas como fotones, neutrones y fullerenos:
Patrón de interferencia de doble rendija para neutrones. En la gráfica tenemos la representación de las zonas brillantes (picos de la gráfica) y las zonas oscuras (valles de la gráfica)
También hay resultados similares para agrupaciones de 60 átomos de carbono, los fullerenos C60 (que ya son cosas de peso). Referencia
Hay planes de realizar el experimento con virus y con bacterias para comprobar hasta cuando podemos tener este comportamiento o en qué punto la física se vuelve clásica y tiene sentido hablar en términos de partículas y ondas como cosas independientes.
Cuentos Cuánticos 
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Hola aquí psiconauta tratando de comprender el experimento de la doble rendija. Sigo hasta el impacto partícula del electrón uno a uno y su paradójico patrón de interferencia cuando aumentamos el número de electrones lanzados…bien esto ya es francamente sorprendente e imagino que los físicos llevais ya mucho tiempo intentando interpretar. Mi interés de psicólogo- y por tanto bastante ignorante en estos campos- se centra en el papel de la observación como determinante del mundo cuántico; concretamente en entender qué tipo de detector se coloca para saber por qué rendija pasa cada electrón…me resulta muy dificil de imaginar y sin embargo, si la observación es tan determinante a nivel cuántico, me parece importante conocer la naturaleza de lo que utilizamos para observar….
«Feynman dijo que este experimento contenía todos los secretos de la cuántica» y se lo presenta como prueba fundamental de la mecánica cuántica (no de la física cuántica, que no es lo mismo).
Si hay alguien que le interesa entender el fenómeno de «doble rendija», es a mí. Otro puede tener el mismo interés, pero no mayor.
La idea de que este experimento es la prueba, es un razonamiento que desvirtúa el método científico.
Parte de una hipótesis (pre-juicio), que busca desespero, un fenómeno que lo apoye.
El mismo principio del método científico, establece la eliminación de todo prejuicio, para el investigador. Para que su juicio no sea afectado por una idea pre-concebida.
En este caso, si no hubiese forma de explicar el fenómeno de acuerdo a los otros fenómenos relacionados (una rejilla y múltiples rejillas), podríamos entender que hay que buscar otra explicación, pero este no es el caso.
La idea de no poder predecir el espín, es una media verdad, porque el espín tiene que ver con el magnetismo, o mejor dicho, el magnetismo es una consecuencia de espines ordenados, ya en un cuerpo o en un conductor.
Así en un conductor, vemos que se forma un campo eléctrico en su entorno que gira en determinada orientación (Faraday), esto no es por casualidad ni tampoco inexplicable, lamentablemente no puedo extenderme tanto, ni dar referencias porque será borrada (para mejor explicación), pero es bien claro, el paso ordenado de los electrones en un conductor (corriente eléctrica), ordena los espines de los electrones, así que en ese caso puedo predecir el espín.
Well I guess I don’t have to spend the weekend figuring this one out!
Jeje..dejen el chisme, no les luce. Me refería al «hecho» de que supuestamente solo puedes conocer el spin de una partícula cuando la observas (no puedes predecirlo); y a que el spin de una partícula complementaria será contrario no importa que tan lejos se encuentren una de la otra (donde se supone no debería haber ninguna influencia). Recuerdo haber leído sobre eso, mencionaban la palabra «fantasmagórico» y me llamó mucho la atención. Nota: no soy físico ni matemático.
Me gusta ese Tonomura, no soy muy amigo de lo «místico», ni nada que burle mi percepción (y adoro esos programas donde desenmascaran trucos de magos). Me gustaría saber su opinión respecto al extraño caso de las parejas de partículas con spin complementario.
Antes de investigar sobre el espín complementario, es necesario entender qué es el espín, el cual no es un giro, sino un medio giro, de la partícula, que no es una pelotita girando (porque no puede dar medio giro, o gira o no gira), el espín es propiedad de toda onda, es el efecto de giro, en la traslación de la onda sobre un medio. Piensa en un ola de agua, el agua no se traslada en la onda, si miras el agua desde la ola, se mueve hacia arriba, luego haca atrás, y luego baja (la superficie del agua). Ese es el medio giro o espín de la onda.
Lo de partícula es una onda que no se esparce, como lo hace una olita en el estanque, sino que se mantiene como en su origen (causado por la contracción del tiempo), donde la onda tiene la forma de la ecuación de Schrödinger, por esta causa un fot´pon como un electrón son ondas, y su calidad de partícula es que es una onda que no se esparce, no que es una pelotita.
Lamentablemente no puedo darte referencias bibliográficas con mayor explicación (bien claras y con ilustraciones) porque no me permiten (CC borra mis respuestas).
Si la medicina es una tecnología, podemos agregar que para ayudar a reparar tejidos y combatir enemigos microscópicos.
La tecnología es el uso práctico de la ciencia y sus ventajas para resolver una necesidad energética o informática humana, o mejorar el confort de una ya resuelta, que básicamente son: luz artificial, ventaja mecánica y movimientos rotatorio o lineal producidos por la misma, transferencia de calor, rapidez de cálculo, transmisión de data a distancia y almacenaje de la misma.
Es indudable que no hay prueba matemática, porque de eso se trata la mecánica (no la física en su conjunto), no se trata de demostrar con un razonamiento matemático, como lo he mencionado decenas de veces, sino en los principios, donde se toma un error conceptual y se elabora un razonamiento lógico (mecánica), que nunca dejará de ser erróneo, por mucho razonamiento lógico que le agreguemos. Si es necesario ejemplos , no me alcanzan los dedos para enumerar.
Entonces que cambien los principio y construyan una teoría (matemática) basada en los nuevos principios que de todos los resultados de la cuántica y no introduzca elementos superfluos y que luego sea compatible con la relatividad especial. Hasta ahora no ha sido posible hacerlo y lo han intentado muchas veces. Por ahora la mecánica cuántica es lo mejor que tenemos.
Y sí debería de ser posible llegar a una conclusión dentro de la teoría que luego el experimento mostrara que el falsa. Por ahora no ha pasado.
Estaré encantado de leer alguno de los innumerables ejemplo.
No sólo usted, sino también otros lectores, basta ir a alguno de mis Blogs (que Ud. no permite dar referencia), encontrará suficientes pruebas de bases incongruentes, que se parte de errores de conceptos, pretendiendo demostrar determinada teoría.
NO se trata de lógica, sino de puntos de partida de un razonamiento, partir de un error conceptual, no hace que la conclusión sea verdadera, aunque el razonamiento se lógico.
La idea de Ptolomeo (geocentrismo), era lógica (aunque complicada). Podía predecir muchos movimientos y fenómenos, pero su principio era falso.
«No deberá de ser tan errónea» es el argumento que los medievales esgrimían. La tecnología es el perfeccionamiento de un instrumento (objeto de uso), es muy común creer que tecnología y ciencia son sinónimos.
Yo no he dicho tecnología, que también, yo he dicho que ha superado pruebas experimentales especialmente diseñadas para demostrar que la cuántica estaba equivocada. Es muy distinto.
Además, esto es un blog de ciencia, si alguien puede demostrar matemática y experimentalmente que la cuántica tiene algún fallo estaremos encantados de anunciarlo aquí.
Apasionante, creo que he comprendido algo, yo soy de letras y solo me queda claro, que cuantas mas rendijas, obstáculos, y paredes, el comportamiento de las ondas parece impredecible, asi es el estudio de la Historia, es tan cuántica como las matemáticas o la física,.¿Como se pude opinar de un suceso» cuando «. No lo has vivido? Solo de una forma «cuando», eres capaz de situarte en ese momento, en el tiempo y en el lugar, sin prejuicios.
Y a mi que el comportamiento de las ondas me recuerda a la gravedad. ¿Y si la interferencia de los gravitones, o lo que sea, crea el campo gravitatorio y al alejarse unos de otros reduzcan su interferencia disminuyendo la gravedad?
Esto podría explicar la materia oscura como el lugar donde gravitones llegados de distintos lejanos lugares vuelven a interferir, creando gravedad donde no hay materia.
Es importante destacar la investigación del Dr. Akira Tonomura (recientemente Fallecido)
En este caso no se usan fotones, sino electrones, la interferencia no es mediante doble ranura (ni ranura), sino por el cambio en la dirección de los electrones por un campo eléctrico.
Indudablemente hay algo que nos perdemos, no hay dudas que el electrón, (como medio fotón,creación de pares, es una onda-espacio), cuya dimensión es la longitud de onda (energía) de acuerdo a la posibilidad de encontrar la carga según la función de Schrödinger. Donde el 98 % (de la carga) se encuentra en ese espacio. Porque el tamaño de un electrón libre, es igual que el tamaño del átomo de hidrógeno (orbital), cuyo electrón tenga la misma energía.
En el experimento se introducen muchas preguntas…
No se trata de que todo está mal, sino en apartarse de la observación en un aspecto («pequeñito»), para justificar una posición.
“El filósofo debe ser un hombre dispuesto a escuchar todas las sugerencias, pero determinado a juzgar por sí mismo. No debe dejarse influir por las apariencias; no debe de tener hipótesis favorita alguna; no pertenecer a escuela alguna; en doctrina, no poseer maestro alguno. No debe aceptar criterios de autoridad, sino de realidad. La verdad debe ser su objetivo primario. Si a estas cualidades se agrega la laboriosidad, puede en verdad aspirar a hablar dentro del templo de la naturaleza.”
MICHAEL FARADAY
(esto también lo borraste)
Mira, yo tengo otra cosa para ti:
«El filósofo debe ser un hombre dispuesto a escuchar todas las sugerencias, pero determinado a juzgar por sí mismo. No debe dejarse influir por las apariencias; no debe de tener hipótesis favorita alguna; no pertenecer a escuela alguna; en doctrina, no poseer maestro alguno. No debe aceptar criterios de autoridad, sino de realidad. La verdad debe ser su objetivo primario. Si a estas cualidades se agrega la laboriosidad, puede en verdad aspirar a hablar dentro del templo de la naturaleza»
uupsss…
Es lamentable que introduzcas de a una mis intervenciones, «desclasificándolas».
Pero insisto:»Cuando la luz atraviesa una rendija muy estrecha (del orden del espesor de una cuchilla de afeitar) se difracta.
La luz de mayor longitud de onda se desvía con ángulos mayores; es decir, la luz roja se difracta con ángulos más grandes que la luz azul. Por tanto, al atravesar luz blanca una rendija muy estrecha, se descompone en los diferentes colores que la componían: la luz roja se aleja más (se difracta con mayor ángulo) que la luz azul.» (daría la referencia…)
Este tipo de experimentos se mantienen en secreto, nadie que comenta la mecánica cuántica y el fenómeno de doble rejilla, menciona estos experimentos, porque desvirtúan la fantasía de la mecánica cuántica.
Vamos a ver si yo soy capaz de explicarme. La difracción es un hecho que verifican las ondas y la difracción de Fresnel o la de Fraunhofer la estudia cualquier físico en Optica.
La diferencia entre una difracción de una onda y lo que pasa en la doble rendija es lo siguiente:
a) Lanzamos partículas de una en una. Es decir, siempre hay una única partícula en vuelo.
b) Cuando veo como llega a la pantalla veo un puntito brillante que significa que algo con características de partícula ha colisionado en esa región de la pantalla.
c) Cuando voy lanzando una partícula detrás de otra me doy cuenta de que se empieza a formar el patrón de interferencia (formado por colisiones de partículas). Así que esto es lo novedoso, algo que consideramos partícula va formando un patrón de interferencia, así que en algún momento del experimento se ha comportado como onda.
Es falaz decir que se esconde esa información, puesto que no tiene nada que ver. No hay nada que esconder, son dos cosas distintas.
Lo novedoso es que el patrón de interferencia, se sucede con una rendija, o dos rendijas.
“Cuando hay dos o más rendijas, la distribución de intensidades en una pantalla alejada es una combinación de la imagen de difracción por una rendija…» Paul Allen Tipler Física Preuniversitaria 2, Volumen 2, Pág. 809
Otra vez. La difracción es algo bien conocido. Que lo interesante aquí es que al tirar algo que en principio es una partícula y llega a la pantalla y colisiona como una partícula, cuando voy tirando de una en una estas partículas forman un patrón de interferencia… y no deberían formarlo según la física clásica. Así que te guste o no la cuántica es diferente y, aún más, todas las tecnologías chulas de los últimos 70 años están basadas en la física cuántica, como por ejemplo el ordenador desde el que escribes. No deberá de ser tan errónea la cuántica cuando funciona tan bien a tantos niveles. Además de que la hemos confirmado experimentalmente durante los últimos 110 años… no está nada mal. Especialmente cuando se han diseñado experimentos para probar precisamente que la cuántica era errónea, y sin embargo ha pasado todas las pruebas con una nota muy alta.
No sé que empeño o relación le ves con la difracción de ondas.
Adorei Bernardo 🙂 vou comprar este livro estou anoissa para o ler. ;)Mas tambe9m quero um autografo do meu professor e Ilustrador favorito :)Beijinhos grandes Carina Leal
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Ha sido un tema que siempre me ha traido de cabeza, pero como lo explicas, en el tema de la doble rendija està la base de la cuàntica con el principio de incertidumbre de Heisemberg, siempre lo he entendido asì, y es que en la cuàntica las cosas se dan en funciòn de las probabilidades.
No me cabe dudas, que «contiene en él el corazón de la mecánica cuántica».
¿Y cómo se explica? Y si con una rejilla tenemos difracción, de dónde sacamos que con dos será diferente, que la suma de las anteriores. En un espectro de luz visible de doble rejilla, se ve que es la suma.
Lo que no tiene nada que ver es que me hayas borrado el otro comentario, como harás también con este (supongo).
Hay que ser más honesto, para ser científico.
Deja que yo me preocupe de mi honestidad. Yo borro mensajes que son: a) Insistentes b) Incorrectos e insistentes y que el único argumento que tienen es todo esta mal porque lo digo yo. c) En mi blog lo digo mucho mejor.
Y te explico por qué… Resulta que si en tu blog estuviera mejor yo no tendría ningún inconveniente en citarlo. Pero resulta que yo me he molestado en leer tu blog y nada de lo que hay escrito tiene sentido.
¿No te has dado cuenta que en todas las entradas tienes un motivo para decir que no entendemos nada y que está todo mal? Es un poco cansino.
Lo que preguntas aquí no tiene nada que ver con lo que hay en la entrada. En la entrada se pone de manifiesto que hay cosas que se comportan como partículas y como ondas según el dispositivo que emplees para estudiarlas.
La difracción es bien conocida y se estudia en óptica.
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¿Porque no repasas un poco lo que se conoce como difracción de Fraunhofer? Y lo comparas con el efecto de doble rejilla.
La difracción que comentas es un hecho puramente ondulatorio. En el caso de lanzar «partículas» cuánticas en la pantalla ves colisiones (partículas) que van formando un patrón de interferencia (onda). Así que no tiene nada que ver.
Estupenda entrada, como siempre. Comparto la opinión de que es un experimento maravilloso que evidencia lo que nos decía nuestro profesor de óptica «Hay muchas cosas que, aunque nunca llegamos a entender, nos acabamos acostumbrando a ellas». Creo que es una sensación habitual con la mecánica cuántica.
Mi opinión personal es que hay una obsesión con entender. Aquí lo principal es aprender. Yo no comprendo leer yo he aprendido a leer. Me explico:
Según las definiciones entender o comprender se refleja en la posibilidad de explicar algo en términos usuales. El problema es que no hay nada usual que nos permita entender lo cuántico. Así que tenemos que aprender cómo funciona la cuántica.
Con esto no quiero decir que las investigaciones en fundamentos de la mecánica cuántica no sean importantes, porque lo son, pero también tengo la sensación de que en 100 años lo único que hemos hecho intentando entender la cuántica ha sido aprender más de ella.
Es como cuando das clase de trigonometría y te preguntan cómo entender el seno y el coseno. No hay que entenderlos, hay que aprender su definición y para qué se aplican. Es como intentar entender por qué te llamas como te llamas…
Pero con esto, como siempre, seguramente dentro de un rato pensaré totalmente diferente.
Un saludo y me alegro de que te haya gustado.
Para mí es tan importante entender como aprender. Es cierto que el haber aprendido las leyes de la mecánica cuántica y corroborado por medio de experimentos ha sido uno de los avances más importantes que el hombre ha desarrollado últiminamente en ciencia.
Pero si queremos avanzar más hacia una comprensión mayor de las leyes de la física, creo que aportaría mucho el comprender algo más de estos fenómenos cuánticos y tal vez de esta manera, sería más facil obtener una teoría que pueda englobarar a las dos grandes teorías que existen actualmente, la mecánica cuántica y la relatividad.
Esto sin tener en cuenta la propia curiosida y deseo de saber que tenemos todos, y que también debe motivar a muchos científicos a seguir investigando.
Saludos.