El experimento de la doble rendija o de Young (II) -Vídeo

¿Qué es la materia? ¿Ondas o partículas? y, ¿qué efecto tiene el observador sobre ella?

Encontré este video didáctico sobre el experimento de la doble rendija. Es realmente bueno, y explica la dualidad onda-partícula y el efecto del observador en la Mecánica Cuántica.

El experimento de la doble rendija o de Young

8 visiones del mismo fenómeno

Una fuente de luz coherente y monocromática (imaginad un láser) pasa a través de dos rendijas. La distancia entre las rendijas es tal que se produce el siguiente efecto: En una pantalla posterior, a una cierta distancia, vemos cómo la luz crea una figura muy bonita llamada de interferencia, donde hay lugares con mucha luz, otros con menos luz y otros sin luz! (Fase 1)

Si hacemos pasar la luz sólo por 1 rendija, el resultado es similar a si enviáramos balas o partículas (Fase 2) aunque también hay una cierta difracción en los bordes... Si repetimos la Fase 1 con detectores en las rendijas para saber por cuál pasó, desaparece la interferencia y la luz parece volver a comportarse como partículas... (Fase 3)

Podeis ver una animación de la Fase 1 aquí.

Veamos la explicación que darían del fenómeno algunos científicos. Éste es un ejercicio de ficción, naturalmente. En las explicaciones, pretendo resaltar los conceptos importantes de las teorías de cada uno, lo que no significa que no aceptaran parte de las teorías de otros o que su pensamiento no cambiara a lo largo de su vida científica…

I. NEWTON. La luz está compuesta de partículas materiales (corpúsculos). Estos corpúsculos se propagan en línea recta a una velocidad muy grande. No hay una explicación satisfactoria para describir la figura de interferencia de la fase 1. No obstante, es evidente que al pasar por una sola rendija, la luz se comporta como partículas en la fase 2. La fase 3 era de esperar, porque el que detectemos o no el paso de la luz por las rendijas no debe cambiar el comportamiento de los corpúsculos de luz. Es realmente misterioso que aparezca interferencia si no detectamos el paso de la luz (fase 1) y que no aparezca si lo detectamos (fase 3)…

C. HUYGENS. La luz es una Onda. Dependiendo del punto en que coinciden 2 ondas de luz pueden obtenerse máximos y mínimos en función de la diferencia de caminos (que implica una diferencia de fases) de las ondas que interfieren. Esto explica claramente la figura de interferencia de la fase 1 y la difracción en las fases 1 y 2. No obstante, no se consigue explicar por qué al detectar el paso de la luz por una de las rendijas, de pronto, ¡cambie mágicamente su carácter de onda y deje de producir interferencias!

A. EINSTEIN, L. DE BROGLIE. Dualismo Objetivo. La luz son ondas y partícula reales. No sólo la luz, también todas las partículas atómicas comparten esa dualidad. La Onda es un ente extenso. Esto queda evidenciado en la figura de interferencias observada en la fase 1, al estilo de la teoría de C. Huygens. Ahora bien, la energía de la onda no está diseminada a lo largo de la misma, sino que se concentra en el espacio, y estas concentraciones son denominadas fotones, idea utilizada por vez primera por M. Planck en su estudio de la radiación de un cuerpo negro. Esto explicaría la fase 3, en la que el comportamiento de la luz es claramente corpuscular. Lo extraño es la comparación entre la fase 1 y 3. Debe haber una descripción más exacta de lo observado que no implique la acción del observador, ya que existe en la naturaleza una realidad objetiva e independiente. Cualquier mecánica que se formule debe tener variables que permitan la existencia objetiva de las partículas como el fotón.

E. SCHRÖDINGER. Onda objetiva. La Onda es Real y se describe mediante una función Phi compleja que es solución de una ecuación diferencial. En esta ecuación está contenida la información energética del sistema. Esto explica la fase 1.
El carácter corpuscular -lo que Einstein denomina fotón- puede explicarse como un paquete de ondas guiado por la misma onda. Por lo tanto, una descripción ondulatoria más elaborada sería suficiente para explicar la fase 2.
La fase 3 implica al observador. No está claro cómo compaginar eso con una descripción puramente ondulatoria…

M. BORN. Ondas de Probabilidad. La función Phi de Schrödinger no es real ya que no puede asociarse de un modo satisfactorio a la posterior localización del fotón. Phi se interpreta como una densidad de probabilidad, cuyo cuadrado nos da la probabilidad de presencia del fotón. Esta interpretación sí se ajusta correctamente a los resultados… No hay problema con las fases 1,2 y 3 si aceptamos la elavoración de una mecánica que sea probabilística y que tenga en cuenta el efecto del observador.

N. BOHR. Principio de Complementariedad. Las apariencias de onda y de partícula de los sistemas cuánticos (como la luz) son sólo aspectos complementarios y excluyentes de una misma realidad. No hay onda ni partícula, sino una realidad que nos es revelada de un modo u otro sólo mediante el experimento adecuado. No puede asociarse ninguna realidad al fotón si no se efectúa una medición sobre él. En este experimento estamos midiendo al fotón de dos maneras -con detectores (en la fase 3) y con una pantalla final en la cual inciden en una posición concreta (fases 1,2 y 3)-. Sólo en esos instantes puede hablarse de realidad asociada al fotón. Por tanto, debemos transformar nuestro concepto de localización real del fotón. Todo lo que no sea descrito mediante un experimento que incluya el efecto del observador no es válido. El que haya una realidad subyacente independiente de la observación es una opinión íntima que no debe ser objeto de la ciencia experimental.
Así se explican las fases 1,2 y 3. La teoría de Schrödinger es incorrecta; se admite la interpretación probabilística de Born.

W. HEISENBERG. Principio de Indeterminación. Admite que la Indeterminación es un caso particular del Principio de Complementariedad de Bohr. La naturaleza excluyente de los aspectos de onda y partícula hace que ciertas cantidades (Observables) no commuten entre sí cuando son medidas. El producto de la indeterminación en los resultados de medir simultáneamente dos cantidades de este tipo nunca es menor que una determinada cantidad, que depende del cuanto de acción de Planck, h. Esto explica las fases 1,2 y 3. A partir de ahí, cualquier cuestión epistemológica sobre el tema es secundaria, lo importante es que las matemáticas funcionan!

R. FEYNMAN. Integral de todos los caminos posibles. La luz se propaga por todos los caminos posibles (en línea recta, curva, etc…) y de todas las maneras posibles (con velocidad mayor y menor que c, etc...) a través de las rendijas. La probabilidad que da cuentas de la localización final de los fotones se calcula a partir de la suma de amplitudes de todos los caminos y maneras posibles. Sólo así se obtiene el resultado correcto. El resultado final es muy parecido al que obtendríamos si hubiésemos considerado sólo que la luz se propaga con velocidad c y en línea recta, aunque no es exactamente igual. Los sucesos ocurren de todas las formas posibles a la vez. De este modo, no son necesarios principios de Complementariedad ni de Indeterminación para describir la Naturaleza. Ahora bien, los cambios en las condiciones iniciales y finales de un suceso hacen que sea un suceso diferente. La detección del fotón a su paso por una de las rendijas es un nuevo suceso cuya probabilidad debe ser sumada con el resto de probabilidades. Esto explica las fases 1, 2 y 3.

Ratones, electrones y la paradoja de De Broglie

¿Cuál es el sentido de la Probabilidad en Mecánica Cuántica?

La paradoja de De Broglie fue un intento de mostrar la necesaria incompletitud de la Mecánica Cuántica. Es decir, evidenciar que la función de onda de un sistema no puede contener toda la información del mismo, a no ser que estemos dispuestos a renunciar a la realidad objetiva de los sistemas cuánticos. Para entender esta paradoja y la solución dada por la escuela de Copenhague, en mi opinión, primero debemos entender el concepto de Probabilidad de los mundos clásico y cuántico… y para ello nos va a ayudar el mismísimo Trotsky!

Un ratón escurridizo...

Consideremos a Trotsky, un ratoncito inquieto que puede moverse a lo largo de una caja grande cerrada introducida en una bolsa. La situación inicial es clara: si abrimos la caja en cualquier instante de tiempo, hallaremos a Trotsky dentro de ella el 100% de las veces. Esto puede expresarse así:

P (caja grande) = 1

Pero ésta es una caja especial, ya que podemos dividirla en dos partes cerrando una compuerta intermedia cuidadosamente (¡para evitar lastimar al ratón!)
De este modo, Iván y Edu (persuadidos por Stalin) introducen sus manos en la bolsa y dividen la caja inicial en las dos mitades A y B, siempre mediante el cierre de la compuerta con sumo cuidado. Iván se lleva la caja A a su casa y Edu hace lo propio con la B.
¿Qué probabilidad hay de encontrar al ratón en cualquiera de las dos cajas? Como hay 2 cajas posibles en las que puede hallarse, la Probabilidad en cada una es del 50%. Es decir:

P(A) = P(B) = ½

Ahora, Iván abre su caja A en un instante de tiempo t y encuentra allí a Trotsky (ver foto!). ¿Qué ha ocurrido con las Probabilidades? El conocimiento adquirido de que Trotsky se halla en A hace que la probabilidad de hallarlo en B a partir de ahora sea nula. Por lo tanto,

P(A) = 1
P(B) = 0
para todo tiempo posterior a t

Es importante ver que las Probabilidades han cambiado a partir del instante t, en el que hemos efectuado una observación y hemos obtenido más información sobre la ubicación de Trotsky. (El lector podría objetar que estamos hablando sólo desde el punto de vista de Iván, que es el que obtiene el conocimiento al efectuar la observación. Desde luego, el envío de esa información a Edu requeriría de un tiempo, a priori, no nulo.)

Y a todo esto, ¿qué podemos decir de Trotsky? Trotsky es un animalillo feliz cuya existencia no depende en absoluto del hecho de que hayan cambiado las Probabilidades P(A) y P(B), es decir, no depende de que nuestros amigos hallan efectuado alguna observación para localizarlo en sus respectivas cajas…

Un electrón aún más escurridizo...

Veamos qué ocurre cuando el objeto de estudio en este mismo ejemplo es un objeto cuántico (por ejemplo, una partícula atómica como un electrón) Ésta es la paradoja de De Broglie.

Según la Mecánica Cuántica, todo el conocimiento que podemos tener de un electrón nos viene dado por una función § llamada función de onda. [En el esquema hay otro símbolo, la letra griega phi que no pude escribir en el texto. Phi es la letra habitual]. Esta función no es directamente observable ni contrastable mediante medidas ya que se trata de una función compleja. No obstante, efectuando una determinada operación con §, en concreto, "integrando a todo un volumen el cuadrado de su módulo", sí obtenemos un número real y éste es interpretado como la Probabilidad de presencia de dicho electrón en ese volumen. Para simplificar, diremos que:

P = │§│²

Como en el caso del ratón Trotsky, supongamos un electrón en una caja de volumen V susceptible de ser dividida en dos partes. Inicialmente, la Probabilidad de encontrar al electrón en la caja tras efectuar una observación, es del 100%

P(caja grande) = 1

Ahora, dividimos la caja en dos mitades, A y B. Podemos hacerlo con menos escrúpulos que antes! Como en el caso de Trotsky, la probabilidad de hallar al electrón en cualquiera de ellas es del 50% o tal vez no, depende de si el proceso de división de la caja introdujo alguna variación inesperada. Pero eso no importa, la cuestión es que ambas probabilidades,

P(A) y P(B) deben sumar 1.

No sólo eso, sino que ahora el estado del sistema cuántico electrón se describe mediante dos funciones de onda, §a y §b, cada una de ellas definidas en los volúmenes de A y B. A priori, estas funciones no nos aportan información sobre dónde está el electrón, de modo que no podemos afirmar nada de su localización a partir exclusivamente de ellas.

Si Iván abre su caja A en un tiempo t y halla al electrón, ocurre algo aparentemente inexplicable si aceptamos nuestras premisas iniciales. Es evidente que ahora,

P(A) = 1
P(B) = 0

para todo instante posterior a t.

Podemos hallar esas probabilidades según la integral de volumen del módulo al cuadrado de §a y §b, y sabemos ahora que P(B) = 0. Entonces, P(B) =│§b│² = 0, y esto implica que §b debe anularse también para todo instante posterior a t. ¿Pero cómo hemos definido a la función de onda en general? ¿No contiene toda la información del electrón en un volumen, en este caso el volumen B?

Podríamos pensar que §b se anulaba también para todo instante anterior a t. De modo que el electrón estaba realmente en A durante todo el tiempo tras la separación de la caja. Si adoptamos este modo de pensar, -que es el que teníamos con el ratoncito Trotsky-, llegaremos a la conclusión de que la información de dónde se hallaba el electrón debía de estar contenida de algún modo en las funciones §a y §b mediante alguna variable desconocida u oculta para nosotros.

He aquí la paradoja: La función de onda contiene toda la información sobre el electrón pero ahora hemos llegamos a la conclusión de que debía de faltar algo más que desconocíamos si pretendemos afirmar que el electrón estaba realmente en un lugar u otro antes de la observación.

Dicho de otro modo, la noción de existencia del electrón (como en el ejemplo del ratón) en el espacio y el tiempo no es compatible con la premisa de que § contiene toda la información del sistema. Sólo podemos hablar de localización del electrón si éste fue observado. No es que no podamos hablar de su localización porque desconozcamos aún dónde está, sino que el concepto mismo de localización antes de la observación es incompatible con el formalismo cuántico. Debemos pues decir que el concepto real de electrón se difumina y admitir que éste existía tanto en A como en B antes del instante t, y sólo tras la observación hemos fijado su posición en A ó en B.

Por el contrario, si negamos esto y nos empeñamos en mantener una posición realista, debemos decir que la teoría cuántica es incompleta ya que § no contiene toda la información del sistema.

¿Pero, cómo demonios hemos llegado a esto?

La base de estas diferencias entre el mundo clásico y cuántico radica en nuestra definición de probabilidad. Habitualmente calculamos probabilidades según la regla

P(A) = Casos favorables / Casos posibles

Esto no tiene ninguna implicación sobre A, el suceso mismo que estamos estudiando. Aquí P(A) es un peso estadístico clásico, no es nada real y como vimos, no le suponía ningún trastorno al pobrecito Trotsky.

En cambio, en el mundo cuántico, P(A) depende de §a, por lo que un cambio en P(A) sí implica un cambio en el valor de §a, que es por definición toda la descripción del sistema mismo que estamos observando en el volumen de A. Aunque la suma de probabilidades cuánticas sea 1 y estén construidas de un modo coherente desde el punto de vista matemático, no son probabilidades al estilo clásico, sino otra cosa más profunda que roza el límite de lo real con aquello que no podemos definir...

NOTA 1: │§│² es en realidad una densidad de probabilidad, ya que si la multiplicamos por el volumen, obtenemos la Probabilidad de presencia en todo el volumen, en analogía con la densidad de masa habitual, cuyo producto con el volumen nos devuelve la masa.

Causalidad y Mecánica Cuántica

¿Ocurren los fenómenos físicos por puro azar o existen causas que los generan?

El físico actual busca causas cuando estudia la dinámica de los cuerpos cotidianos, los movimientos planetarios o la mecánica de fluidos, pero se abstiene de hacerlo cuando observa el mundo a escala atómica. En ese momento, admite que los resultados obtenidos en las diferentes medidas se deben estrictamente al azar, del todo incontrolado, aunque –eso sí- dentro de un espectro de posibilidades que podemos calcular.

Pensemos en un fenómeno atómico muy sencillo:
la desintegración de neutrones.

Estas partículas dan estabilidad a los núcleos atómicos, pero fuera de ellos se desintegran con una vida media de 900 s, dando origen a un protón, un electrón y un antineutrino. Esto quiere decir, que un neutrón se desintegrará a los 700 s, 950 s, o tal vez a los 1210 s. Si estudiamos el fenómeno con un número elevado de neutrones, el tiempo medio de desintegración será de unos 900 s.

¿Qué hace que unos neutrones se desintegren antes y otros después? ¿Son acaso neutrones diferentes o es que están sometidos a variables o causas diferentes?

La respuesta, desde hace casi unos 80 años es que, no sólo no existe causa alguna para ello, sino que la búsqueda misma de las causas contradice el formalismo matemático vigente y es considerada, por lo tanto, estéril y no-científica. Es importante observar que esta limitación de base no es debida a una limitación del instrumental o de nuestra capacidad de investigación. No se espera que con el avance tecnológico se describan las causas, sino que sencillamente, éstas no existen, en tanto que este tipo de fenómenos sólo pueden ser descritos mediante un lenguaje de probabilidades. De existir las causas, el formalismo que tan bien ha funcionado durante 80 años debería ser necesariamente incorrecto (según la postura oficial) y llegaríamos por tanto a una contradicción de gran embergadura.
La visión de la Naturaleza se vuelve, así, un tanto oscura y pesimista, en relación a la filosofía realista que en mayor o menor medida siempre había imperado durante las épocas anteriores a la Mecánica Cuántica.
La ausencia de causas, la Acausalidad es una de las bases de la interpretación imperante de esta teoría, denominada de Copenhague, debido a que el centro neurálgico de su desarrollo (al menos la parte epistemológica) se situó en aquella ciudad y fue liderado principalmente por Niels Bohr durante los años 20 y 30 del siglo XX.
En la práctica, el físico común experimenta lo que se llama una huída al formalismo matemático. Ante cualquier duda o paradoja de tipo epistemológico relacionada con el problema de la causalidad, se aferra al formalismo que es, por otro lado, muy consistente y eficaz y se muestra como uno de los mayores éxitos en la historia de la ciencia. De existir causas en los fenómenos cuánticos, deberíamos admitir la existencia de variables o parámetros desconocidos hasta ahora (en ellos se situaría la información de esas causas). Son las llamadas teorías de las variables ocultas, en actual desarrollo, aunque con muy poco asentamiento. Un ejemplo de estas teorías es la de David Bohm con su mecánica bohmiana.

¿Debemos pues, admitir la inutilidad de la búsqueda de causas a los fenómenos atómicos?

Tal vez, la llamada ley de causalidad no sea más que un producto de nuestra gramática y condición humanas muy útil para entender el mundo que nos rodea pero que se diluye al observarlo a una escala tan alejada como la atómica. De ser así, ¿en qué punto debemos situar la transición entre los fenómenos acausales descritos por la mecánica cuántica y los causales descritos por el resto de teorías clásicas?