Materializan un experimento mental para desentrañar el misterio cuántico

La metodología exacta del experimento mental de la doble rendija del físico norteamericano Richard Feynman – una piedra angular de la mecánica cuántica que muestra cómo los electrones se comportan como partícula y onda al mismo tiempo- se ha llevado a la práctica por vez primera.

Hasta ahora, a pesar de que la dualidad onda-partícula de los electrones había sido demostrada de diversas formas desde que Feynman popularizara la idea en 1965, ningún experimento había logrado replicar completamente la metodología establecida por el físico en el volumen 3 de sus famosos The Feynman’s lectures on physics.

«La tecnología para hacer este experimento ha existido desde hace cerca dos décadas, sin embargo, hacer un buen registro de datos de los electrones requería de un gran esfuerzo adicional que nos ha llevado tres años», afirma el autor principal del estudio, el profesor Herman Batelaan de la Universidad de Nebraska-Lincoln (EEUU) en un comunicado del Institute of Physics (IOP).

«Los experimentos de doble rendija anteriores habían demostrado con éxito las misteriosas propiedades de los electrones, pero ninguno había sido realizado con la metodología de Feynman, en concreto abriendo y cerrando ambas rendijas a voluntad y pudiendo detectar electrones de uno en uno”, continúa Batelaan.

«En un experimento genial, el físico japonés Akira Tonomura utilizó un alambre delgado, encargado de dividir los electrones y de reunirlos de nuevo, en lugar de usar dos aberturas en una pared, como propuso Feynman. Y, por lo que yo sé, Giulio Pozzi fue el primero en utilizar en sus experimentos aberturas nano-fabricadas en una pared; sin embargo, en este caso, las rendijas fueron tapadas con un material de relleno que no podía abrirse y cerrarse automáticamente «.

Experimento materializado

En el trabajo de Batelaan y sus colaboradores del Perimeter Institute of Theoretical Physics de Canadá, se realizó una representación moderna del experimento de Feynman dirigiendo un haz de electrones, capaz de liberar electrones individuales, hacia una pared fabricada con una membrana de silicio revestida de oro.

La pared tenía dos ranuras de 62 nanómetros de ancho, con una separación de centro a centro de 272 nanómetros. Una máscara de difracción movible, de 4,5 micrómetros de ancho y 10 micrómetros de alto y controlada por un actuador piezoeléctrico, fue situada detrás de la pared, deslizándose hacia atrás y hacia delante para cubrir las hendiduras.

De esto modo, los científicos crearon “un experimento en el que las dos rendijas pueden ser mecánicamente abiertas y cerradas a voluntad y, lo más importante, se ha combinado esto con la posibilidad de detectar un electrón en un momento dado”, explica Batelaan.

“Hemos reproducido con exactitud el experimento mental de Feynman y hemos sido capaces de ilustrar la característica esencial de la mecánica cuántica”, añade el científico.

Los resultados obtenidos en esta investigación han aparecido detallados en el New Journal of Physics, una publicación del IOP antes mencionado.

El experimento de origen

En el experimento mental de la doble ranura de Feynman, pequeñas partículas son dirigidas hacia una pared con dos pequeñas ranuras que pueden abrirse y cerrarse a voluntad, de tal manera que una parte de las partículas quedan bloqueadas mientras que otras atraviesan las ranuras, dependiendo de la apertura de estas.

En función del patrón detectado en la mampara situada detrás de las ranuras, equipada con un detector, se puede discernir si las partículas se han comportado como ondas o como partículas al atravesar las rendijas.

Cuando las partículas son lanzadas a una pared con ambas ranuras abiertas, tienen más probabilidades de golpear el tope posterior en un área concreta, mientras que las ondas lo que hacen es golpear en la mampara posterior en diversos puntos y con diversas fuerzas, generando lo que se conoce como un patrón de interferencia.

En 1965, Feynman popularizó que los electrones –de los que siempre se había pensado que eran partículas- podían producir, en el experimento de la doble ranura, un patrón de interferencia, esto es, que podían comportarse como ondas y como partículas… al mismo tiempo. Este hecho, según el físico, entrañaba la clave de la física cuántica y también su especial misterio.

Richard Phillips Feynman nació en Nueva York en 1911 y está considerado uno de los más importantes físicos del siglo XX. Su trabajo en electrodinámica cuántica le valió el Premio Nobel de Física en 1965, compartido con Julian Schwinger y Sin-Ichiro Tomonaga.

Entre sus principales logros se cuenta el desarrollo de un método para estudiar las interacciones y propiedades de las partículas subatómicas utilizando los denominados diagramas de Feynman. Asimismo, en su juventud participó en el desarrollo de la bomba atómica, en el marco del llamado proyecto Manhattan. Además contribuyó a la física con trabajos exploratorios sobre computación cuántica y con los primeros desarrollos de nanotecnología.

La dualidad onda-partícula postula que todas las partículas subatómicas presentan propiedades de onda y partícula. Este concepto chocaría de bruces con la física clásica, que defendía que existen diferencias entre onda y partícula.

Básicamente, una partícula ocuparía un lugar en el espacio y tendría una masa mientras que una onda se extendería en el espacio con una velocidad definida y una masa nula.

Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”.

Este hecho ha sido comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924, en su tesis doctoral, de Broglie propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella.

Así, según este científico: Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.

Esta hipótesis se confirmó más tarde para los electrones, con la observación de los resultados del experimento de la doble rendija de Young en la difracción de electrones en dos investigaciones independientes.

Por otro lado, en la Universidad de Aberdeen (Escocia), George Paget Thomson pasó un haz de electrones a través de una delgada placa de metal y observó los diferentes esquemas predichos. Similares experimentos han sido repetidos con neutrones y protones, el más famoso de ellos realizado por Estermann y Otto Stern en 1929. Experimentos más recientes realizados con átomosy moléculas han demostrado que estos actúan también como ondas.

Todas estas constataciones tienen algunas implicaciones filosóficas, al chocar con la mecánica newtoniana en algunos aspectos, como que resulte imposible determinar con precisión ciertas magnitudes físicas (no es posible construir un análogo clásico del estado de una partícula); o que las partículas cuánticas exhiban características duales (según el tipo de experimento muestran un comportamiento típico de las partículas materiales de la mecánica clásica o bien un comportamiento típico de ondas que se propagan en un medio).

En este sentido, en última instancia, desde que, a principios del siglo XX, nació la sospecha de que el observador consciente (experimentador) juega un papel en la definición de la realidad cuántica, se creó un debate entre aquellos físicos que niegan cualquier subjetivismo en la ciencia y los físicos idealistas, que defienden que el ser humano podría ser a un tiempo actor y observador del mundo.

Referencia bibliográfica:

Roger Bach, Damian Pope, Sy-Hwang Liou, Herman Batelaan. Controlled double-slit electron diffraction. New Journal of Physics (2013). DOI:10.1088/1367-2630/15/3/033018.