Investigadores del Instituto de Ciencias Básicas de Corea (IBS) han cuantificado por primera vez la dualidad onda-partícula del mundo cuántico y observado en tiempo real el mecanismo que permite al observador interferir en la realidad.
La dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas elementales y ondas, ya que las partículas pueden comportarse como ondas y las ondas como partículas.
En consecuencia, los objetos cuánticos son complementarios, es decir, no se pueden medir a la vez sus dos cualidades fundamentales: o bien se mide la dimensión onda, o bien solo la dimensión partícula, según estableció Niels Bohr en 1927.
El electrón, por ejemplo, es onda y partícula a la vez, pero se describe por una función de onda: es la que facilita la probabilidad de encontrarlo en alguna parte para utilizarlo en cualquier función tecnológica (la electrónica).
La física cuántica es por ello esencialmente probabilística, a diferencia de la física clásica, que es determinista (puede establecer con exactitud el próximo eclipse solar).
A pesar de su impredecibilidad, la física cuántica ha permitido desarrollar tecnologías inimaginables en el siglo XIX, como la información y la comunicación cuánticas, la metrología, las imágenes y la detección cuánticas.
Problemas sin resolver
Sin embargo, en la ciencia cuántica todavía hay problemas sin resolver e incluso incomprensibles, como la misma dualidad y complementariedad onda-partícula, entre otras paradojas.
Los científicos del Instituto de Ciencias Básicas de Corea (IBS) han obtenido una base nueva y más cuantitativa de la misteriosa dualidad onda-partícula que ilumina mejor esta cualidad cuántica.
En un giro del clásico experimento de doble rendija, utilizaron fuentes de fotones controladas con precisión para medir en tiempo real el grado de onda y partícula de un fotón mientras atraviesa un obstáculo.
Sus resultados, publicados en Science Advances, muestran que las propiedades del observador (un sensor) influyen en el carácter de onda y partícula del fotón. Este descubrimiento complica y desafía la comprensión común de la complementariedad, señala al respecto la revista PhysicsWorld.
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El laberinto de la doble rendija
El experimento de Young, más conocido como el experimento de la doble rendija, concebido en 1801 por Thomas Young para averiguar la naturaleza corpuscular de la luz, ha sido básico para demostrar la dualidad onda-partícula.
Es un experimento que contiene toda la magia del mundo cuántico, pues pone de manifiesto dos cosas: que, a nivel elemental, los objetos físicos pueden comportarse como un conjunto de partículas (y no pueden por ejemplo atravesar una barrera física) o también como una onda que atraviesa obstáculos, como las ondas de radio que pasan a través de las paredes.
El experimento de Young pone de manifiesto también algo todavía más insólito: que la medición u observación influye en el comportamiento de las partículas, determinando que se manifiesten como ondas o como corpúsculos. Ocurre con fotones, electrones, protones o neutrones.
¿Qué ocurre en el experimento de la doble rendija? Es difícil de describir, porque en algún momento de su desarrollo cualquiera de esas partículas deberá «decidir» qué hace cuando se encuentra con una pared que no puede atravesar. En ese momento, «observa» que tiene dos rendijas que le hacen «pensar»: ¿y si la atravieso como onda, pasando a través de las rendijas?
Patrón de interferencia
Al final se decide y atraviesa la pared a través de las dos rendijas, convertida en una onda. Una vez situada al otro lado de la pared, se vuelve partícula y tropieza con una pared posterior que no tiene rendijas: entonces impacta en un lugar de la segunda e infranqueable pared y deja una huella.
El experimento tiene su miga: a medida que más partículas atraviesan como ondas la doble rendija, en la segunda pared se reflejan los impactos de las partículas en las que se han convertido de nuevo, pero no se agrupan de forma aleatoria (como podría esperarse), sino siguiendo un orden que vendría determinado por su comportamiento ondulatorio. A ese orden se la llama patrón de interferencia.
Y lo más sorprendente: todo ese proceso ocurre porque lo estamos observando. Cuando las ondas atraviesan las rendijas, se «dan cuenta» de que hay un detector y reaccionan volviéndose partículas. Se «arreglan» para salir en la foto al notar el detector (un interferómetro).
El principio de complementariedad establece que ambos resultados experimentales, tanto el relativo a la partícula como a la onda, son necesarios para comprender completamente la naturaleza cuántica de, por ejemplo, un fotón.
Fotón seducido
El nuevo estudio ha profundizado en estas paradojas y determinado que las propiedades de las rendijas también son importantes para que la dualidad onda partícula se produzca.
Los investigadores mejoraron el detector presente en la rendija y potenciaron la atracción que despierta en un fotón para que pueda atravesar la pared.
Esto permitió a los investigadores apreciar mejor el momento en el que el fotón muta de partícula a onda y determinar cómo su naturaleza ondulatoria se refleja en el patrón de interferencia que aparece en la segunda pared.
Eso significa, destacan los investigadores, que, durante el experimento, el fotón cambia de partícula a onda y luego otra vez a partícula, no solo por decisión propia, sino influido también por el detector colocado en la rendija que lo deja pasar.
También significa que los impactos en la pared sin rendijas siguen un patrón (de interferencia) que emana de su comportamiento ondulatorio. De esta forma, la partícula deja constancia del fugaz momento en el que fue onda, una especie de recuerdo cristalizado en la segunda pared.
Estamos en lo cuántico
El nuevo experimento parece confirmar lo que decía Bohr en los años 20 del siglo pasado: que no somos meros observadores de lo que medimos, sino también actores. Estamos en lo cuántico.
El nuevo experimento de la doble rendija dice algo más. Explica cómo se produce esa interacción entre el observador y la realidad: a través del sensor situado en la rejilla, ejerce una atracción sobre el fotón para animarlo a bailar entre la onda y la partícula, en función de nuestros intereses científicos (que consiga atravesar la pared y observar en detalle todo el proceso).
Los investigadores señalan al respecto en un comunicado: «Richard Feynman dijo una vez que resolver el rompecabezas de la mecánica cuántica radica en la comprensión del experimento de la doble rendija.»
El nuevo descubrimiento nos acerca más a esa comprensión, sin por ello poner fin a los misterios todavía por descubrir que siguen asociados al experimento de la doble rendija.
Referencia
Quantitative complementarity of wave-particle duality. Tai Hyun Yoon, Minhaeng Cho. Science Advances, 18 Aug 2021, Vol 7, Issue 34. DOI: 10.1126/sciadv.abi9268