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.

Experimento de Young casero (I)

Interferencias en el garaje con un nivel de paleta...

Paso 1: Láser
Me quedé con las ganas de comprobar, por mí mismo, la belleza de la Fase 1 del artículo anterior. Es decir, las interferencias de la luz al paso por dos rendijas. Para ello, lo más sencillo es usar un láser, de los que hay muchos y baratos. Así que fui a la ferretería de mi barrio. Expliqué al dependiente para qué lo quería y después de flipar un poco, me enseñó el que veis en la imagen. Sí, sí, es un nivel de paleta, de toda la vida, con sus burbujitas de agua. Pero, además, dispone de un pequeño láser rojo de longitud de onda l = 650 nm, para marcar paredes y estructuras al mismo nivel. Cómo mola, y con trípode y todo!

Paso 2: Cartulina negra y rendijas
Lo siguiente es hacer dos rendijas paralelas en una cartulina, muy juntas, ya que el haz del láser tendrá que pasar a la vez por las dos. En este caso, la separación fue de 1,3 mm (de 1 a 1,5 mm) de separación d, con mi habitual superprecisión.

Paso 3: Observación final
Por último, debemos situarlo todo de manera que observemos la luz proyectada en una pared o pantalla a varios metros de distancia. El dispositivo fue el de la imagen...

Y Eureka! En la pared, a unos 5,51 m de distancia D de las rendijas, se pueden observar las interferencias claramente. La separación entre 2 máximos (entre el centro de la franja de luz central Po y el centro de la siguiente) es de 2,5 mm (de 2 a 3 mm). Veamos si concuerda con la teoría de Young.

Según Young, se observará un primer máximo P en la pared a una distancia y del máximo central cuando la diferencia de caminos recorridos por la luz sea igual a nl, con n=1 y l=longitud de onda de la luz. (Ver esquema, donde l es la letra griega lambda. Lo he extraído de por aquí)

Con un poco de trigonometría, igualando las tangentes de Ø de los triángulos S1MS2 y PNPo, vemos que y = l D / d.










Así que (pasando todo a milímetros):

y =((650 x 0,000001 x 5510) / 1,3) mm = 2,7 mm

Es decir, que a 2,7 mm del centro Po de las interferencias, encontraremos la siguiente franja iluminada. Esto se corresponde bastante bien con mi medida de 2,5 mm (entre 2 y 3 mm)

COMENTARIOS: El error es grande, ya que el dispositivo es muy, pero que muy, casero y he medido con una regla de esas que ya tiene desgastadas las rayas, de unos 15 años de antigüedad :-) Con medidas mucho más precisas de las distancias d, y, D, podemos usar este dispositivo para determinar las longitudes de onda l de diversos haces, ya que:

l = d y /D

También podemos variar la distancia d entre rendijas y comprobar cómo aumenta y.

Por último, cabe decir que sin una teoría ondulatoria sería muy difícil explicar lo observado. La diferencia de caminos de la luz hasta llegar a la pared está claramente relacionada con la aparición de máximos y mínimos. Y vemos que los máximos (interferencia constructiva) aparecen cuando esta diferencia es n veces la longitud de onda. Es decir, llegan a la vez dos crestas de la onda, o dicho de otro modo: las dos ondas (que emergen de S1 y S2) están en fase.

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.