El experimento más bello

Pensando en el experimento de la doble rendija sobre la dualidad onda–partícula, me puse a buscar y encontré esta página sobre los diez experimentos más bellos votados por los lectores de la revista Physics World. Su belleza lo es en el sentido clásico: la simplicidad del aparato como la simplicidad lógica del análisis parecen tan inevitables y puras como las líneas de un monumento griego.

Transcribo su descripción para después añadir algo más sobre el mismo: “La dualidad onda-partícula de la naturaleza es el principio fundamental de la física cuántica. De acuerdo a esta dualidad, un pedazo de materia (un electrón, por ejemplo) se comporta a veces como si estuviese en un sólo lugar a la vez, como una partícula, y otras veces como si estuviese en varios lugares al mismo tiempo, como una ola en el mar. En 1927 la naturaleza ondulatoria de los electrones fue establecida experimentalmente mediante la observación de un patrón de difracción (un fenómeno característico de la propagación de ondas) al pasar un haz de electrones a través de un cristal de níquel. Para explicar la idea de la dualidad en términos simples, los físicos frecuentemente usaban un experimento imaginario. En este experimento se hacía incidir un haz de electrones sobre una placa provista de dos rendijas próximas y se observaba qué pasaba sobre una pantalla detectora colocada detrás de las rendijas sobre la cual cada electrón producía un punto luminoso al chocar. Si los electrones se comportasen como partículas al pasar por las rendijas el patrón esperado en la pantalla sería el de dos franjas luminosas, cada una de ellas imagen de una de las rendijas. Sin embargo, de acuerdo a la física cuántica, el haz electrónico se dividiría en dos y los haces resultantes interferirían uno con otro, formándose en la pantalla un curioso patrón de bandas oscuras y luminosas. Fue recién en 1961 cuando alguien (Claus Jönsson de Tübingen, Alemania) llevó a cabo el experimento en el mundo real y comprobó que nuestra realidad es cuántica.”

Si situamos un detector en cualquiera de las rendijas, y hacemos pasar electrón a electrón, no se producirá el patrón de bandas oscuras y luminosas, pero si dejamos libres las dos rendijas, incluso pasando electrón a electrón, obtenemos el patrón de la figura.

Cuando hacemos pasar electrón a electrón, de los dos estados clásicos posibles : (pasar por ranura 1) , (pasar por ranura 2), donde cada uno excluye al contrario , la realidad cuántica ( y verdadera) del electrón se obtiene de los dos estados cuánticos puros (pasar por ranura 1) y (pasar por ranura 2) con sus correspondientes pesos p1 y p2 : (p1) (pasar por ranura 1) + (p2)(pasar por ranura 2) . Sin interferencia externa, la realidad del electrón es que pasa por los dos agujeros a la vez . Su onda asociada pasa, a la vez , por las dos rendijas y la diferencia de fase de las dos ondas, del mismo electrón, es la que produce la interferencia.

En la esfera de Poincaré, el polo superior sería el estado puro (pasar por ranura 1) y el polo inferior el estado puro (pasar por ranura 2). La realidad es una suma de los dos estados, a la vez, que puede ser cualquier punto de la esfera, dependiendo de los pesos p1 y p2.Esos estados están en una superposición que se llama coherente, entrelazada.