Experimento de doble rendija de Thomas Young

A lo largo del siglo XIX, los físicos tenían el consenso de que la luz se comportaba como una onda, en gran parte gracias al famoso experimento de doble rendija realizado por Thomas Young. Impulsado por las ideas del experimento y las propiedades de onda que demostró, un siglo de físicos buscaron el medio a través del cual la luz se agitaba, el éter luminoso. Aunque el experimento es más notable con la luz, el hecho es que este tipo de experimento se puede realizar con cualquier tipo de onda, como el agua. Por el momento, sin embargo, nos centraremos en el comportamiento de la luz.

A principios de 1800 (1801 a 1805, dependiendo de la fuente), Thomas Young realizó su experimento. Permitió que la luz pasara a través de una ranura en una barrera para que se expandiera en frentes de onda desde esa ranura como fuente de luz (debajo Principio de Huygens). Esa luz, a su vez, pasó a través del par de rendijas en otra barrera (cuidadosamente colocada a la distancia correcta de la rendija original). Cada rendija, a su vez, difractaba la luz como si fueran también fuentes individuales de luz. La luz impactó una pantalla de observación. Esto se muestra a la derecha.

Cuando se abrió una sola rendija, simplemente impactó la pantalla de observación con mayor intensidad en el centro y luego se desvaneció a medida que se alejaba del centro. Hay dos resultados posibles de este experimento:

Interpretación de partículas: Si la luz existe como partículas, la intensidad de ambas rendijas será la suma de la intensidad de las rendijas individuales.

Interpretación de onda: Si la luz existe como ondas, las ondas de luz tendrán interferencia bajo el principio de superposición, creando bandas de luz (interferencia constructiva) y oscuridad (interferencia destructiva).

Cuando se realizó el experimento, las ondas de luz mostraron estos patrones de interferencia. Una tercera imagen que puede ver es un gráfico de la intensidad en términos de posición, que coincide con las predicciones de interferencia.

En ese momento, esto parecía probar de manera concluyente que la luz viajaba en ondas, causando una revitalización en la teoría de la onda de luz de Huygen, que incluía un medio invisible, éter, a través del cual se propagan las olas. Varios experimentos a lo largo del siglo XIX, especialmente los famosos Experimento de Michelson-Morley, intentó detectar el éter o sus efectos directamente.

Todos fallaron y un siglo después, el trabajo de Einstein en el efecto fotoeléctrico y la relatividad resultó en que el éter ya no era necesario para explicar el comportamiento de la luz. Nuevamente, una teoría de partículas de la luz tomó el dominio.

Aún así, una vez que el fotón surgió la teoría de la luz, diciendo que la luz se movía solo en cuantos discretos, la pregunta se convirtió en cómo estos resultados eran posibles. A lo largo de los años, los físicos han tomado este experimento básico y lo han explorado de varias maneras.

A principios de 1900, la pregunta seguía siendo cómo la luz, que ahora se reconocía que viajaba en "paquetes" de partículas La energía cuantificada, llamada fotones, gracias a la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico, también podría exhibir el comportamiento de olas Ciertamente, un montón de átomos de agua (partículas) cuando actúan juntos forman ondas. Quizás esto fue algo similar.

Se hizo posible tener una fuente de luz configurada para que emitiera un fotón a la vez. Esto sería, literalmente, como lanzar rodamientos de bolas microscópicos a través de las ranuras. Al configurar una pantalla que fuera lo suficientemente sensible como para detectar un solo fotón, podría determinar si había o no patrones de interferencia en este caso.

Una forma de hacerlo es configurar una película sensible y ejecutar el experimento durante un período de tiempo, luego mirar la película para ver cuál es el patrón de luz en la pantalla. Se realizó tal experimento y, de hecho, coincidía con la versión de Young de forma idéntica, alternando bandas claras y oscuras, aparentemente como resultado de la interferencia de las olas.

Este resultado confirma y desconcierta la teoría de las olas. En este caso, los fotones se emiten individualmente. Literalmente, no hay forma de que ocurra interferencia de onda porque cada fotón solo puede atravesar una sola rendija a la vez. Pero se observa la interferencia de las olas. ¿Cómo es esto posible? Bueno, el intento de responder esa pregunta ha generado muchas interpretaciones intrigantes de física cuántica, desde la interpretación de Copenhague hasta la interpretación de muchos mundos.

Ahora suponga que realiza el mismo experimento, con un cambio. Coloca un detector que puede determinar si el fotón pasa o no a través de una ranura determinada. Si sabemos que el fotón pasa a través de una rendija, entonces no puede pasar a través de la otra rendija para interferir consigo mismo.

Resulta que cuando agrega el detector, las bandas desaparecen. Realiza exactamente el mismo experimento, pero solo agrega una medición simple en una fase anterior, y el resultado del experimento cambia drásticamente.

Algo sobre el acto de medir qué hendidura se usa eliminó completamente el elemento de onda. En este punto, los fotones actuaron exactamente como esperaríamos que se comportara una partícula. La incertidumbre misma en la posición está relacionada, de alguna manera, con la manifestación de los efectos de las olas.

Con los años, el experimento se ha llevado a cabo de diferentes maneras. En 1961, Claus Jonsson realizó el experimento con electrones, y se ajustó al comportamiento de Young, creando patrones de interferencia en la pantalla de observación. La versión de Jonsson del experimento fue votada como "el experimento más hermoso" por Mundo de la física lectores en 2002.

En 1974, la tecnología pudo realizar el experimento al liberar un solo electrón a la vez. Nuevamente, aparecieron los patrones de interferencia. Pero cuando se coloca un detector en la ranura, la interferencia vuelve a desaparecer. El experimento fue realizado nuevamente en 1989 por un equipo japonés que pudo utilizar equipos mucho más refinados.

El experimento se realizó con fotones, electrones y átomos, y cada vez el mismo resultado se vuelve obvio: algo acerca de medir la posición de la partícula en la ranura elimina la onda comportamiento. Existen muchas teorías para explicar por qué, pero hasta ahora gran parte de ellas siguen siendo conjeturas.