El experimento que todo el mundo debería conocer

Estamos tan acostumbrados, en nuestras atareadas vidas, a contemplar las cosas desde una perspectiva tan sumamente amplia, que escasas veces reparamos en lo inmensamente pequeño. A lo largo de la historia, han sido muy pocas las personas que han dedicado su vida a estos estudios (pocas, en comparación con los miles de millones que somos actualmente). Haber estudiado una carrera de ciencias no significa ser un hombre de ciencias. Yo mismo me incluyo en esta categoría.

Como reza mi biografía, en el apartado autor de este mismo blog, soy un apasionado de la física y la química. Creo, sinceramente, que son dos ramas de la ciencia que todo ser vivo sobre este planeta debería conocer. Por una sencilla razón: explican el qué y el cómo de las cosas. Nos faltaría el porqué, pero ahí entraría en un debate demasiado ambiguo y personal.

Con este post quiero rescatar un experimento con el que me topé hace algunos años y que, a mi juicio, es el experimento más impresionante jamás llevado a cabo. De hecho, algunos científicos, así lo atestiguan.

El experimento de Young

¿Te suena? Quizá, dicho así, no te suene de nada, pero… ¿qué tal ahora?

El experimento de la doble rendija

¿Tampoco así? No te preocupes, precisamente has llegado al lugar adecuado. Ponte cómodo, sácate un café de la máquina y lee con atención. Te prometo que, cuando llegues al final, estarás completamente alucinado. 100% garantizado.

¿Qué es una onda?

drops-water-waves-1374970-640x480Todo el mundo, quien más, quien menos, ha tirado alguna vez una piedra a un estanque. La piedra, al contacto con el agua, genera unas ondulaciones que se propagan en todas direcciones, en forma de círculos concéntricos. ¿Tenéis la imagen en la cabeza? Pues seguimos. ¿Qué creéis, que se mueve el agua o que no se mueve? Umm, interesante…

Técnicamente, el agua no se mueve del sitio (salvo la que salpica, claro). Lo que veis moverse, propagarse, es la propia onda, la fuerza que imprimió la piedra a cada una de las moléculas de H2O que tocó en su caída. Si en ese estanque ponéis un barquito de corcho y volvéis a lanzar la piedra cerca de él, veréis cómo el barco sube y baja las crestas de las olas sin moverse (a penas) del sitio.

El mismo ejemplo es válido para el sonido. El sonido se propaga como una onda. Cuando yo pego un grito: “¡¡Mamááááá!!”, el aire no viaja, lo que viaja es la onda sonora. Cada partícula que flota en el aire, entre mi madre y yo mismo, empieza a vibrar por la fuerza de mi voz y transmite esa energía a la partícula adyacente. De una a otra se van pasando la energía de mi torrente de voz hasta que la onda llega al otro lado.

Por decirlo de alguna manera, en una onda se transmite energía, no materia.

Hasta aquí, todo claro, espero…

¿Qué es una partícula?

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Pensemos en un balón de fútbol. Final de la Champions League. Penalti a favor del Madrid en el minuto 92. Lanza Cristiano. Se acerca a la pelota, toma impulso y ¡chuta! ¿Qué pasará? Pues que marca, ¿qué va a pasar? Es evidente, ¿no? Pero eso no es lo que nos importa. Estamos aquí para reparar en lo inmensamente pequeño, no en las trivialidades del fútbol. Cristiano, mediante la fuerza ejercida con su pie, transmite cierta energía al balón y, éste a su vez, sale disparado hacia delante. Aquí lo que se mueve es el balón, una partícula en sí misma, no una onda.

Y todo esto, ¿para qué? Para llegar a la pregunta importante. La que ha traído de cabeza a los más sabios científicos del siglo XVIII y XIX durante largos años.: la luz, ¿qué es? ¿Una onda o una partícula?

Lee a continuación y lo sabrás… ¡chán, chán!

¿Por qué el experimento de la doble rendija es tan impresionante?

Porque trata de dar respuesta a la naturaleza de la luz y, por ende, al del resto de la materia, y porque el resultado del mismo es, literalmente, de ciencia ficción. Hay varias versiones de este experimento. Para no alargarme hasta la extenuación, lo resumiré en tres puntos. Aunque, primero, los ingredientes.

Ingredientes para este experimento:

  1. Una plancha metálica, de madera o de lo que sea. La condición es que tenga dos pequeñas rendijas justo en el centro que, alternativamente, se puedan tapar o dejar abiertas.
  2. Un haz de fotones (qué impresionante queda esto, ¿eh?); o sea, una linterna.
  3. Una placa fotosensible que recoja los fotones (un carrete o negativo de fotos, vaya)

four2Figura 1

¿Lo visualizáis? Tres ingredientes. Ni más ni menos. Si está claro, ¡al tajo!

Primera parte del experimento

Lo primero que hacemos, con la linterna/bombilla apagada, es tapar una de las dos rendijas de nuestra plancha. Acto seguido encendemos el haz de fotones.

¡¡Encendiendo haz de fotones!!

¿Qué le pasará a la placa fotosensible? ¡Chupao!. Que aparecerá una raya, justo coincidiendo con los fotones que hayan conseguido pasar por la rendija. En la figura 1, la placa negra, tendrá una y sólo una de esas rayas blancas.

Volviendo al ejemplo de Cristiano y el fútbol. Imaginad una falta. El equipo contrario pone la barrera, pero deja entre medias un hueco. Cristiano tira cien veces (esa suerte que tiene). En un porcentaje determinado, la barrera parará el balón y, en otro, el balón pasará por el hueco. Si en lugar de portería hubiera una pared al fondo y el balón lo llenáramos de pintura, sobre la pared se quedaría impregnada la huella del balón. Una raya como la de la figura 1.

Segunda parte del experimento. La cosa empieza a ponerse interesante…

Repetimos el experimento, pero ahora con las dos rendijas abiertas. ¿Qué sucederá? Tic, tac, tic, tac….

Imagina de nuevo a Cristiano, la falta y el balón pintado (me va a tener que pagar royalties por publicidad). Lo lógico sería pensar que en lugar de una raya en la pared (o en la placa fotosensible) obtuviéramos dos. Una por cada una de las rendijas. Los fotones/balones pasan indistintamente por una rendija y chocan contra la pared.

¡Pues no! Eso no es lo que sucede. ¿Cómoooooooo? Lo que pasa es precisamente lo que muestra la figura 1. En la placa fotosensible aparecen muchas rayas de impacto, lo que se conoce como un patrón de interferencia. ¿Y eso qué es?

No preocuparse. No es algo de Star Trek, ni es complicado de entender.

Volvamos al ejemplo de la piedra. Si en nuestro estanque, en lugar de tirar una sola piedra, tiramos dos, se producirán dos ondas en la superficie. Las ondas tienen propiedades interesantes. En esta parte no entraré mucho en detalle, podéis leer una descripción curiosa en mi libro Off, donde, como parte del argumento, se explica de manera simplista ciertas características (es una novela, no un libro de apuntes de física). Allí cuento que las ondas son como números. Las tenemos positivas: 1, 2, 3, 4… Y negativas: -1, -2, -3, -4… Los números positivos son las crestas y los negativos los valles. Las ondas son muy amistosas. Cuando una onda se encuentra con otra, se suman.  Si se encuentran el 2 y el 3 la onda que se produce es el 5 (2+3), si lo hacen el 4 y el -3 se produce el 1 (4-1). Pero si lo hacen el 2 y el -2, se produce el 0. Ambas ondas interfieren y se anulan mutuamente. Lo que vemos en la placa fotosensible de la figura 1 son precisamente esas acumulaciones (constructivas) y anulaciones (destructivas). Las líneas blancas son las sumas y las negras las interferencias. Por las rendijas no han pasado las partículas, los fotones o los balones, lo que ha pasado es una onda. A ver, paremos un momento…

experimento_young

  • En la primera parte, con una rendija, pasa un fotón que se comporta como una partícula.
  • En la segunda parte, con dos rendijas, pasa el mismo fotón, pero esta vez se comporta como una onda.
  • Umm, ¡no entiendo nada!

Es normal, es lo bonito de la física. Cuanto más se estudia, menos se entiende y más queda por estudiar.

Lo que nos dice la mecánica cuántica, esas palabras que dan urticaria nada más pronunciarlas, es que el fotón no está en un sitio determinado. Tiene cierta probabilidad de estarlo. Al tener dos posible vías de acceso (las dos rendijas) hay cierta probabilidad de que pase por una y por otra, por tanto “pasa por las dos” a la vez. Eso de que el gato de schrödinger está vivo y muerto al mismo tiempo…

Tercera parte del experimento. Vamos a complicarlo más. ¿Más? Rizar el rizo

Ok, me creo que cuando hay una rendija pasa el fotón partícula. Soy capaz de imaginar el balón pasar a través de la barrera…

También me creo, aunque con salvedades, que según la mecánica cuántica, al haber dos posibilidades (dos agujeros en la barrera), el fotón se comporte como una onda y pase por las dos rendijas a la vez (como si el balón de Cristiano pasara por dos agujeros de la barrera, ¡qué chungo!).

Como los físicos no las tenían todas consigo, necesitaban una prueba que refutara el comportamiento tan aparentemente anárquico de estos pequeños seres. ¿Qué hicieron? Colocar un detector en cada una de las rendijas para saber exactamente por dónde pasaba el fotón despistado. Pero… ¡oh sorpresa! ¡La naturaleza es mucho más inteligente que nosotros!

sorpresa

De manera inexplicable, cuando se ponen los detectores en las rendijas, el fotón ya no se comporta como una onda. La función de probabilidad colapsa y vuelve a comportarse como una partícula. ¿Cómo dices?

Lo que hay que oír… Al poner los detectores, en la placa fotosensible lo que aparece es justamente lo que todo el mundo esperaba al principio: dos únicas rayas coincidentes con las proyecciones de las rendijas. Sin patrón de interferencia.

Ale, ¿cómo te has quedado? ¿Impresionante verdad? La naturaleza es sumamente extraña. Se comporta como una partícula o como una onda según su propio criterio.

Ya puedes acabarte el café y meditar sobre ello.

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Categorías:Opinión

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