La semana pasada propuse un experimento curioso que es muy
fácil de hacer pero que es al mismo tiempo un clásico de la física. Es el
experimento con el que Galileo, arrojando una serie de objetos desde una cierta
altura, se dio cuenta de que la forma tradicional de entender porque los
cuerpos sólidos caen es errónea. Demostrando que Aristóteles estaba equivocado
Galileo fue uno de los principales impulsores de una revolución científica y
filosófica sin precedentes. Como consecuencia directa, apenas un siglo después,
Isaac Newton formalizó las leyes de la gravedad. De forma más indirecta Galileo
abrió la puerta a la actual tendencia intelectual de cuestionarse el
conocimiento previo, que ha sido el combustible de la innovación científica
desde entonces.
Hoy voy a hablar de otro experimento igualmente mítico y
transcendental en la historia de la ciencia, el experimento de
la doble ranura. Este también puede realizarse en casa, pero implica mucho más trabajo y precisión. Y sin un equipo científico adecuado los resultados pueden no quedar claros del todo. No invito a nadie a intentar ponerlo en práctica pero si a intentar entender sus resultados. Imagino que todos hemos oído hablar de la física cuántica en algún momento u otro, y de cómo las partículas subatómicas se comportan más bien como les da la gana. Pueden parecer de la nada, o desaparecer de repente. Pueden cruzar muros y teletransportarse. Una partícula puede convertirse en otra, etc. Descubrir las extrañas cualidades del mundo de lo infinitamente pequeño ha sido un auténtico shock para la ciencia. Los expertos en física cuántica pueden hacer predicciones con una precisión increíble. La física cuántica es la base de mucha de nuestras tecnologías más punteras. A pesar de ello, aún no se ha conseguido llegar a ningún tipo de consenso acerca de las implicaciones últimas de estos resultados. Para algunos implican que una partícula está en todas partes hasta que se la observa y ese localiza en un solo punto. Para otros es un indicio de dimensiones extras. Hay interpretaciones incluso más esotéricas y otros como Einstein en su momento, que simplemente se niegan a creer que las partículas se comportan como se comportan.
la doble ranura. Este también puede realizarse en casa, pero implica mucho más trabajo y precisión. Y sin un equipo científico adecuado los resultados pueden no quedar claros del todo. No invito a nadie a intentar ponerlo en práctica pero si a intentar entender sus resultados. Imagino que todos hemos oído hablar de la física cuántica en algún momento u otro, y de cómo las partículas subatómicas se comportan más bien como les da la gana. Pueden parecer de la nada, o desaparecer de repente. Pueden cruzar muros y teletransportarse. Una partícula puede convertirse en otra, etc. Descubrir las extrañas cualidades del mundo de lo infinitamente pequeño ha sido un auténtico shock para la ciencia. Los expertos en física cuántica pueden hacer predicciones con una precisión increíble. La física cuántica es la base de mucha de nuestras tecnologías más punteras. A pesar de ello, aún no se ha conseguido llegar a ningún tipo de consenso acerca de las implicaciones últimas de estos resultados. Para algunos implican que una partícula está en todas partes hasta que se la observa y ese localiza en un solo punto. Para otros es un indicio de dimensiones extras. Hay interpretaciones incluso más esotéricas y otros como Einstein en su momento, que simplemente se niegan a creer que las partículas se comportan como se comportan.
El experimento que voy a intentar explicar es probablemente
el más importante en la historia de la física de partículas y sus resultados
los más increíbles o perturbadores, según el punto de vista. Se llama
experimento de la doble ranura por que consiste en hacer pasar un fotón de luz
a través dos ranuras. Los resultados son un tanto extraños. Como comentaba, han
revolucionado el mundo de la ciencia y la tecnología, pero al mismo tiempo
nadie aún ha sido capaz de darles sentido.
Para entender los resultados primero hay que entender ciertas características del
comportamiento de cualquier tipo de onda. Imaginemos un estanque en el que
podemos crear ondas introduciendo un remo, por ejemplo. Desde el remo, partirán
ondas en círculos concéntricos. Estas ondas formarán crestas y valles a lo
largo de su recorrido. Esto nos resulta familiar a todos. Pero ahora imaginad
que introdujésemos dos remos creando ondas uno cerca del otro. Al extenderse
las ondas de uno y otro se irían encontrando. Si la cresta de una ola del remo
A se cruzara con un valle de una onda del remo B, ambas se anularían. Por el
contrario, si una cresta se encuentra con una cresta, se produce una cresta
mayor. Y si un valle se encuentra con otro, producen un valle más hondo. De
esta forma una onda afecta a la otra, creando patrones de interferencia.
Dentro de este estanque podemos hacer una versión dos del
experimento de la doble ranura que nos permite hacernos una idea de cómo se
comporta una onda al pasar por estos tipos de obstáculos. Esto es muy útil ya
que la luz, esta formada por partículas subatómicas, los fotones, y estos en
parte son ondas, que se comportan en gran medida como las ondas de un estanque.
Imaginemos que
en este estanque de aguas tranquilas construyéramos un pequeño dique con
piedras dejando un hueco en el medio, como en la imagen. Si creáramos una onda
en la parte izquierda, esta, al pasar por el hueco, empieza a extenderse desde
ese punto, convirtiendo al hueco en epicentro de la onda, que se expande desde
el hueco hacia delante. Si imaginamos que la línea más a la derecha fuera un
muelle. Un observador en ese muelle vería la onda chocar contra el muelle con
crestas y valles de la misma altura. La altura de la onda bajo los pies del
observador sería uniforme en cada momento.
Ahora imaginemos que en
el primer dique dejamos dos huecos en lugar de uno. La onda inicial, al pasar
por la barrera se dividirá en dos ondas distintas. Estas ondas interferirán la
una con la otra (o podemos pensar en la ola inicial interfiriendo consigo
misma). Habrá zonas con crestas más altas y valles más bajos. El observador en
el muelle más a la derecha ya no vería ondas uniformes chocar contra el muelle.
Vería ondas que en puntos serían más altas (donde las crestas coinciden) y
otros puntos más bajas (donde los valles coinciden). En un momento dado, la
línea de la altura de la onda al chocar con el sería irregular.
Este mismo experimento se puede hacer con luz (o cualquier
otro tipo de onda electromagnética). Incuso si se envía un solo fotón (una sola
onda), si este pasa a través de las dos ranuras, interferirá consigo mismo y
creará un patrón equivalente a la línea ondulada al proyectarse en una
pantalla. En el caso de la luz, se trataría de franjas verticales de sombra y
luz. Hasta aquí todo normal. La luz es
una onda y se comporta como tal. Pero si uno introduce un detector de fotones
en el experimento, todo se empieza a enrarecer. Sin detector, el fotón se
comporta como una onda y un solo fotón puede atravesar ambas ranuras. Pero si
se coloca un detector antes de la barrera con las dos ranuras, el fotón solo
pasará por una o por otra. En vez de dejar un patrón de luces y sombras, se
estrellara contra la pantalla al fondo como una pelota de tenis y la única
marca que dejara será un único punto.
Extraño ¿No? ¿Y qué significa
todo esto? Pues la verdad es que no está demasiado claro. La parte técnica
funciona a la perfección. El experimento es totalmente replicable con una alta
precisión. Sorprendentemente podemos
describir en detalle el comportamiento de partículas absurda e
inconcebiblemente pequeñas. Pero cuando se trata de darle sentido estamos en el
extremo opuesto. No tenemos ni idea. El experimento de la doble ranura
demuestra que las partículas subatómicas pueden comportarse como partículas y
como onda a la vez. Así dicho, no suena tan mal. Pero cuanto más lo piensas más
raro parece. Es como si tu pareja fuera humana cuando la observas Y sin embargo
fuera un gato cuando no le prestas atención. Y te das cuenta porque los
arañazos en el sofá y porque tienes que dejar una bandeja con arena en el patio.
En los años 30, una década
crucial para el desarrollo del campo de la física cuántica y básicamente el
periodo en el que toma su forma actual, las famosas rarezas del mundo cuántico
se hacen innegables (a pesar de que muchos grandes de la física, Einstein el
primero se niegan a aceptarlo). Una de las universidades que más aportan a la
nueva teoría en esa época es Copenhague. Allí Niels Bohr crea el instituto de
física teórica que acabara tomando su nombre, y es allí donde Heisenberg
desarrollo su famoso Principio de incertidumbre. Es por ello que en Copenhague
es unos de los primeros sitios en donde se tuvieron que enfrentar a la tarea de
dar sentido a las incertidumbres del mundo cuántico. Por ello, la
interpretación más conocida y más usada en los libros de texto es conocida como
la Interpretación de Copenhague. En esta interpretación si una partícula no es
observada, pasa por todas las trayectorias posibles al comportarse como una
onda. Por tanto en el experimento de las dos ranuras, pasa por ambas a la vez.
Y si se añadieran más ranuras también pasaría por ellas. Sin embargo, al
observar una partícula, la onda colapsa y se reduce a una partícula situada en
un punto más o menos preciso. Es decir, una vez observada, solo pasa por una
ranura. La idea fundamental es que el observador afecta al objeto observado.
Esta idea ha levantado un gran revuelo filosófico desde entonces. Aún hoy es la
más aceptada entre la comunidad científica, pero es una idea de gran extrañeza
que parece más difícil de creer a medida que uno piensa más en ella.
Existen otro tipo de
interpretaciones, la mayoría muy minoritarias. Una de ellas conocida como De
Broglie-Bohm, atribuye la rareza de los resultados experimentales a
limitaciones tecnológicas. Existen variables que no somos capaces de observar,
que explicarían el comportamiento de las partículas. También es conocida como
Onda piloto, ya que en esta interpretación las partículas serían guiadas por
una onda hacía áreas de interferencia constructiva en vez de destructiva. Otra posible
interpretación tiene el apoyo del famoso Roger Penrose. Para el tanto las
partículas teóricas (consideradas como un punto) como las ondas son
idealizaciones y las partículas reales que no encajan en ninguna de las definiciones,
son como un ente intermedio.
Pero la interpretación más
espectacular, y una de las más sólidas y populares dentro del mundo de la
física, es la interpretación de los Universos paralelos de Hugh Everett. En
ella millones de universos cuánticos caminan en paralelo. Pero al realizar una
observación nos concentramos en nuestro propio universo cuántico y el resto de
posibles universos se separa de nosotros para siempre. Volviendo al
experimento, antes de observar la partícula, todas estas dimensiones o
universos transcurren por el mismo camino. Pero al realizar una observación nos
quedamos con la observación de nuestro propio universo. El resto de
posibilidades también se han materializado, pero nuestros universos se han
separado y solo podemos apreciar la observación de nuestra realidad. Es decir la partícula ha pasado por las dos
ranuras y existe un universo exactamente igual, donde tú estás observando como
la partícula acaba de pasar por la otra ranura. Desgraciadamente nunca podrás
volver a ver a esta otra versión de ti mismo para comentárselo. Parece ser que
esta interpretación deja atrás la mayor parte de las incoherencias de la
Interpretación de Copenhague. De hecho es la favorita de dos de los gigantes de
la física del siglo XX, Richard Feynman y Stephen Hawkins. Y también parece ser
la versión más utilizada por los autores de ciencia ficción. A mí también me
parece la más interesante, al margen de los aspectos técnicos en los que con
mis nivel de matemáticas ni pincho ni corto. Aunque admito que intentar
visualizar esta teoría es un poco como meter el cerebro en un licuadora y
encender el interruptor.
Descripciones más
detalladas de este experimento se pueden encontrar en multitud de libros de
divulgación sobre física y se explica en casi la totalidad de los que tratan en
algún punto la física cuántica. Solo por citar algunos:
En busca del gato de
Shrödinger – John Gribbin
Breve historia del
Tiempo – Stephen Hawking
También añado un link
sobre un video muy interesante sobre algunas de las distintas interpretaciones:
Imagen:
De Anja Kaiser
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