Inquietudes…

Domingo, 13 abril, 2008

La materia al descubierto

Filed under: essentials,históricas — Manuel @ 23:17

En los primeros años del siglo XX se produjo una revolución extraordinaria en la física con el nacimiento de la mecánica cuántica, pero también se abrió un campo plagado de grandes interrogantes que mantienen intrigados a muchos físicos.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes fue que la luz, además de ser una onda, también se comportaba como una partícula. Pero más sorprendente aún fue la generalización que se le ocurrió al físico francés Louis-Victor de Broglie, en 1924: si la luz es una onda y una partícula a la vez, ¿podría ser que las partículas que conocemos en realidad también son ondas? De esta manera los electrones, los protones, los átomos, incluso las moléculas, además de ser partículas -o “compuestos” de partículas- también serían ondas. Estamos ante la famosa dualidad onda-partícula.

Esta extraña hipótesis planteaba muchas contradicciones, pues, según la creencia de la época, una partícula y una onda eran cosas opuestas. Una onda se caracterizaba por no tener masa y extenderse por el espacio, mientras que una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Sin embargo, varios experimentos demostraron que de Broglie tenía razón y la naturaleza no era tan simple, obligando a los científicos a rehacer el concepto de onda y partícula.

La doble rendija

Uno de los experimentos más interesantes es el experimento de la doble rendija, que no sólo muestra que muchas partículas pequeñas también se comportan como ondas, sino que nos permite entender y profundizar sobre el significado de la dualidad onda-partícula.

El experimento es realmente simple: se hace pasar algo, ya sea luz, electrones, protones, incluso moléculas, a través de dos rendijas paralelas y se hace que colisione contra una placa detectora que registra este choque (por ejemplo, una película fotográfica para el caso de la luz). Pueden ocurrir dos cosas:

  1. Si aquello que pasa por las rendijas se comporta como una onda, al llegar a las dos rendijas la onda se dividirá en dos, una por cada rendija. La onda que surja de una de las rendijas interferirá con la que surja de la otra rendija y cuando llegue al detector éste detectará el resultado de esta interferencia: una serie de franjas -ver siguiente imagen- que nos permitirá inferir que lo que ha pasado a través de la rendija es precisamente una onda.
  2. Si lo que pasa por las rendijas se comporta como una partícula, lo que se verá en el detector será la marca de las dos rendijas, pues las partículas que pasen a través de éstas impactarán en línea recta contra el detector.

Hasta aquí todo parece parece sencillo. Ahora bien, ¿qué fue lo que ocurrió cuando se lanzó un haz de partículas a través de las dos rendijas?

Probemos con electrones

Una de las primeras partículas con las que se hizo el experimento fue con electrones, que, como sabemos, son partículas con carga eléctrica y muy poca masa. El resultado de enviar un haz de estas partículas hacia las dos rendijas fue, ¡un patrón de interferencia! Al principio los científicos pensaron que al lanzar muchos electrones los que pasaban a través de una de las rendijas interferían con las que pasaban por la otra y esto era lo que provocaba el patrón de onda. Así que, para evitar esto, decidieron hacerlos pasar uno a uno.

El resultado los debió dejar boquiabiertos. Si lanzabas unos pocos electrones a través de las dos rendijas, se observaban unos cuantos puntos en el detector, que representaban los impactos de éstos (imagen a). Sin embargo, a medida que pasaba más tiempo y dejában que más electrones impactaban el detector, los impactos de cada uno de ellos iba formando una imagen que los científicos conocían muy bien: el patrón característico de una onda (imagen d). ¿Cómo era esto posible?

La única manera de explicar lo sucedido es que el electrón, a medida que viaja y pasa a través de las rendijas, interfiere consigo mismo comportándose como una onda. Pero cuando llega al detector deja de comportarse como una onda y lo hace como una partícula, incidiendo y dejando una marca sólo en un punto del detector.

Posteriormente se repitió el experimento con partículas más grandes, con átomos e incluso moléculas, y el resultado ha sido el mismo: una serie de impactos puntuales, los cuales, tras un número suficientemente grande de éstos, forman un patrón de onda.

La materia al descubierto

El experimento de la doble rendija nos muestra cómo es realmente la materia: a medida que el electrón o la molécula viaja pasando a través de las dos rendijas, se comporta como una onda, que llega a interferir consigo mismo. Pero en el momento en el que llega al detector, se produce un solo impacto; una sola interacción en un punto: la onda desaparece y el electrón se comporta como una partícula.

Queda así desnudada la materia al nivel más elemental: mientras no interaccione será una onda, denominada onda de probabilidad, cuyo movimiento viene descrito por la ecuación de Schrödingen y nos dice en qué regiones del espacio es probable encontrar a la partícula en el momento en que interaccione.

Pero en el momento de la interacción dicha onda desaparece instantáneamente, la probabilidad deja de existir y se materializa un evento, en nuestro caso un impacto en el detector. Es el llamado colapso de la onda de probabilidad.

Por tanto, el concepto de partícula ya no es una “pelota” que viaja de forma compacta por el espacio hasta que choca con otra. En realidad lo que entendemos como una partícula es en realidad una onda que viaja por el espacio, y que, en el momento en el que interacciona, desaparece instantáneamente y esta onda es sustituida por un evento en un punto del espacio (evento entendido como una transferencia de energía, es decir, un choque, un cambio en el movimiento de dos partículas, etc).

Y para concluir os dejo con un estupendo vídeo donde se explica el experimento de las dos rendijas de forma muy gráfica:

Actualización 16/4/08: Ojo con el final del vídeo: Cuando se dice que el electrón sabe que lo están observando y entonces actúa de manera distinta, es engañoso: el tema es que para “observar” un electrón tienes que detectarlo con algún aparato; medir su presencia. El hecho de medir implica un intercambio de energía entre el electrón y el instrumento que mide, por lo que la función de onda se colapsará. Es decir, la única manera de medir el electrón es interfiriendo su trayectoria; por ejemplo, tapando una rendija; con lo que, obviamente, el electrón que pase por la otra rendija hará un patrón de una sola rendija.

5 comentarios »

  1. Desde mi ignorancia, pero te lo digo: ¡me ha parecido un artículo excelente!
    Enhorabuena: es apasionante e interesantísimo.
    Lo que me parece más increíble es el efecto sobre el comportamiento de las partículas/ondas que ejerce el mero hecho de observarlas. Es algo así como una mala persona que cuando se sabe observada se comporta de un modo y cuando sabe que nadie mira le quita el caramelo al niño. La cuestión es ¿qué efecto físico produce el hecho de observar la realidad para que ello la modifique intrínsecamente? Porque, claro, la mala persona tiene una mente que modifica su comportamiento en función de lo que percibe que está pasando alrededor suyo, pero ¿es que la materia inerte (las partículas/ondas) tienen conciencia de lo que está pasando a su alrededor?
    Me he quedado pensando y pensando… Y resulta que lo único que puede decir es que la realidad me parece apasionantemente incomprensible.
    Saluditos a tod@s…

    Comentario por Carlos — Martes, 15 abril, 2008 @ 11:05 | Responder

  2. Impresionante! mis únicas dudas son:
    1) ¿Cómos se pueden disparar electrones, átomos o moléculas?
    2) ¿Cómo se coge una partícula y se la introduce en el acelerador y te aseguras de que es la única partícula en ese estadio peraltado?

    Por favor, un día nos lo explicas “abuelito de la fíisica cuántica”.

    PD: Yo hubiese denominado al experimento el de la doble raja en lugar de la doble rendija. Tendrías más visitas.

    Comentario por Mauri — Miércoles, 16 abril, 2008 @ 8:19 | Responder

  3. Carlos, realmente el final del vídeo no está bien explicado. Para detectar las partículas (es decir, para observarlas) tiene que haber una transferencia de energía entre la partícula y el instrumento que mide (que observa), con lo cual hay un colapso de la función de onda; por tanto esa onda ya no pasa por una de las dos rendijas.

    Lo incluiré en el post.

    Mauri, para disparar electrones se pueden calentar ciertos materiales (aleaciones de wolframio, torio, por ejemplo). A partir de cierta temperatura los electrones que están en los átomos de este material salen disparados en cualquier dirección. Para hacer que éstos vayan en la dirección deseada, se puede usar un campo electromagnético que redirige los electrones (que están cargados negativamente) haciéndolos pasar por una rendija (sí, sí, por una sola).

    Comentario por Manuel — Miércoles, 16 abril, 2008 @ 22:29 | Responder

  4. Buenísimo Manu, de tus mejores post. El experimento de la doble rendija lo recordaba de alguna asignatura de la carrera de una manera muy poco precisa pero gracias a ti me he enterado de lo que me quisieron explicar hará unos 4 años… ¡¡si lo hubieses explicado entonces hubiese sacado hasta buena nota!!

    El vídeo se sale, aunque realmente queda engañoso el final, así que gracias por la aclaración.

    Mi duda es: ¿Me vale esto para matar a más peña en el Call of Duty 4 en xbox live?

    Comentario por elblogdedani — Sábado, 19 abril, 2008 @ 16:16 | Responder

  5. hola hasta hace poco me interese por la fisica de particulas usbatomicas, y no tengo mucho conocimiento en el tema, pero segun entiendo el problema es que los electrones viajan por las rendijas pero es imposible determinar sin observarlo por cual de las dos pasa y en que momento por que mientra no es observado este se comporta como todas las posibilidades de donde podria pasar, yo creo que quiza se deba a que es observado desde una realidad en la que nos encontramos con ciertas carcteriscas que limitan las posibilidades de el electron, quiza si pudieramos eliminar de alguna forma las carcteristicas de la realidad en la que se observa el comportamiento podria llegar a ser predictivo?

    Comentario por josemena — Viernes, 20 noviembre, 2015 @ 23:22 | Responder


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