La naturaleza haciendo magia

Hay un simple experimento que captura la rareza de la mecánica cuántica como ningún otro. El experimento, es extremadamente simple de realizar y se ha hecho miles de veces, pero los resultados son en extremo increíbles y desafían al sentido común y nuestras más profundas creencias acerca de cómo funciona el mundo.

En la versión más simple de este experimento se ilumina una pantalla con luz que se ha hecho pasar a través de una lámina opaca que solo presenta 2 pequeñas ranuras. De allí que el experimento se llame el experimento de la doble ranura.

Como hemos aprendido en la escuela, la luz es una onda electromagnética y las ondas poseen propiedades muy particulares. Dos ondas pueden interferirse constructivamente, haciendo que la nueva onda combinada sea la suma de ambas. O también pueden interferirse destructivamente, anulándose entre sí. De ahí que dos ondas de luz combinadas puedan generar más luz o puedan generar oscuridad.

Cuando hacemos pasar la fuente de luz por la pantalla con la doble ranura, la onda de luz se divide en dos ondas que se interfieren mutuamente creando un patrón de interferencia en la segunda pantalla, tal como muestra la figura.

El patrón de radiación es una secuencia de bandas claras y oscuras y es generado en función de la distancia que existe de cada punto de la pantalla a las ranuras.
Si las distancias del punto en cuestión a las ranuras difieren en exactamente un número entero de longitudes de onda,  las ondas llegan en fase y se interferieren constructivamente y tenemos un máximo de luz. Si por el contrario las distancias difieren en un número entero impar de semi longitudes de onda entonces las ondas, las ondas llegan en contra fase y se interfieren destructivamente y tenemos un máximo de oscuridad.

Hasta aquí nada raro. La Luz es una onda, las ondas se interfieren y generan estos patrones de radiación.

Pensemos ahora una variante de este experimento donde reemplazamos las ondas de luz por partículas muy pequeñas, digamos granos de arena fina. Esta vez modificamos el esquema del experimento haciendo que la gravedad desplace las partículas de arena a través de la ranura, como muestra la siguiente figura:

El resultado aquí es completamente distinto al anterior pero es absolutamente razonable. Los granos de arena deben pasar por una ranura o por la otra. No existe fenómeno de interferencia y por lo tanto se formarán dos pilas de arena alineadas con la ranuras.

Pensemos ahora una variante más. Remplacemos los granos de arena por átomos. Utilizaremos un cañón de átomos para dispararlos a través de la superficie con las ranuras. Reemplazaremos la pantalla de fondo con una superficie especial que emita luz cada vez que reciba un impacto de un átomo. Los átomos son conglomeraciones de partículas extremendamente pequeñas, 1 millón de veces más pequeñas que un grano fino de arena. Pero siguen siendo partículas con una posición definida (o no.?), a diferencia de las ondas, por lo tanto uno esperaría que se comporten de manera similar a los granos de arena, es decir, deberíamos ver dos zonas iluminadas frente a las ranuras. Sin embargo….

Cuando hacemos pasar átomos por la superficie de la doble ranura, en la pantalla, aparece el mismo patrón de interferencia que presenta la luz.
Si bien no esperamos que los átomos se comporten como ondas, esto no significa que deban comportarse exactamente igual que los granos de arena. Tal vez, átomos que pasan por una ranura de alguna manera interfieren con átomos que pasan por la otra ranura de alguna manera que no entendemos.

Para corroborar esto, hacemos pasar de un átomo por vez, esto es, hasta que un átomo no golpee la pantalla de fondo, no disparamos el siguiente. De este modo nos aseguramos que solo un átomo esté atravesando la superficie con la doble ranura. Ahora si, cada átomo pasará por una ranura y no podrá interferir ni ser interferido por otro átomo pues simplemente no habrá otro átomo entre el cañón y la pantalla. Ahora si, deberíamos ver dos zonas iluminadas frente a las ranuras, similar a lo que ocurre con los granos de arena. Correcto?

Incorrecto. Ante la mirada asombrada de las miles de personas que han presenciado este experimento por primera vez, el patrón de interferencia vuelve a aparecer.;

Que es lo que pasa aquí? Ya no podemos explicarlo como una interferencia entre átomos. La única posibilidad sería que cada átomo pase por ambas ranuras al mismo tiempo y se interfiera a si mismo. Pero tiene esto algún sentido? Los atomos dejan el cañón como conglomeración de partículas y llegan a la pantalla de igual modo. Sin embargo al atravesar la doble ranura se comportan como si fueran ondas.

Científicos expertos han quedado asombrados con este comportamiento, así que se las han ingeniado para “ver” como es que pasa el átomo a traves de la doble ranura. Concretamente ver si pasa por una o por la otra o en el caso más increíble, por ambas.

Para ello instalamos un detector de átomos detrás de una ranura y comenzamos el experimento. Vemos que el detector detecta algunos átomos y otros no. A veces el átomo pasa por la ranura con el detector y el detector la detecta. Otras veces el átomo pasa por la otra ranura y obviamente el detector no detecta nada. Que vemos en la pantalla? El patrón de interferencia, correcto? Nuevamente la intuición falla. Lo que vemos ahora es una zona brillante en torno a cada ranura, como ocurre en el caso de los granos de arena.

A esta altura, estarán empezando a dudar de que estemos haciendo las cosas bien. Pero es normal. Una cosa es aceptar que los átomos poseen una extraña propiedad que los hace comportarse como ondas al momento de atravesar las ranuras y otra muy distinta es que el átomo de alguna manera sepa que está siendo detectado y por esta razón, deje de comportarse como una onda y muestre su naturaleza de partícula haciendo desaparecer el fenómeno de interferencia.

Resumiendo, los átomos se comportan como ondas cuando se enfrentan a una doble ranura, pasando por ambas ranuras al mismo tiempo y generando un patrón de interferencia. Pero si intentamos ver por qué ranura pasan, vemos que solo lo hacen por una, como lo haría cualquier partícula y el efecto de interferencia desaparece. Loco no?

Podríamos pensar que la sola presencia del detector podría destruir el delicado mecanismo por el cual el átomo se comporta como onda en el momento de atravesar las ranuras, pero esto no es así. Si dejamos el detector pero lo apagamos, adivinen qué pasará!

Correcto, el patrón de interferencia vuelve a aparecer! No es el detector lo que hace desaparecer el fenemomeno de interferencia, es el acto de observar.

Por si esto no fuera suficiente hay un acto de magia final aún más asombroso que puede hacerse con este simple experimento.
Que tal si dejamos pasar los átomos (enviados de a uno por supuesto) y lo dejamos hacer lo que sea que ellos hagan para generar el patrón de interferencia pero esta vez nos aseguramos de capturarlos en el acto. A este tipo de experimento se lo suele llamar de “elección demorada”. Consiste en mantener apagado el detector (que es el responsable, al detectar, de la destrucción del fenómeno de interferencia) mientras los átomos pasan a través del plano de la doble ranura y activarlo luego que los átomos hayan pasado. Es técnicamente posible activar el detector luego de que el átomo ha atravesado las ranuras y antes de que llegue al detector. Cuando el átomo llega al plano de las ranuras, el detector estará apagado. Es el mismo caso del detector apagado. Esto debería dar un patrón de interferencia. Cuando el átomo haya pasado las ranuras y antes de llegar a la pantalla se prende el detector y se detecta por qué ranura pasó el átomo. Obviamente, la decisión de pasar por una ranura como si fuera una partícula o pasar por ambas como si fuera onda ya habrá ocurrido cuando el detector se encienda y detecte que fue exactamente lo que ocurrió. Será muy tarde para que el efecto de interferencia desaparezca. Jaque Mate!!
Y sin embargo….. el efecto de interferencia desaparece.

Es como si el átomo supiera que va a ser observado un instante después y se comporta como una partícula. Sea lo que sea que pase, es lisa y llanamente MÁGICO. 
Los científicos han pasado décadas intentando obtener una explicación lógica de lo que ocurre en este experimento. Una posible interpretación sería que el atomo en forma de onda trascienda el espacio que existe entre el canon, ranuras, detector y pantalla. El atomo es una onda que abarca todo, esta en todos lados al mismo tiempo y si lo medimos en cualquier punto, destruimos esa continuidad y el atomo se materializa en alguna posición. Es decir adquiera existencia precisa. Pero esta interpretación no resulta compatible con lo que las demás leyes físicas nos dicen. Sin embargo, lo descripto es realmente lo que ocurre, así funciona la naturaleza a nivel microscópico.

El camino no elegido (de Robert Frost)

Dos caminos se bifurcaban en un bosque amarillo,
Y apenado por no poder tomar los dos
Siendo un viajero solo, largo tiempo estuve de pie
Mirando uno de ellos tan lejos como pude,
Hasta donde se perdía en la espesura;Entonces tomé el otro, imparcialmente,
Y habiendo tenido quizás la elección acertada,
Pues era tupido y requería uso;
Aunque en cuanto a lo que vi allí
Hubiera elegido cualquiera de los dos.Y ambos esa mañana yacían igualmente,
¡Oh, había guardado aquel primero para otro día!
Aun sabiendo el modo en que las cosas siguen adelante,
Dudé si debía haber regresado sobre mis pasos.Debo estar diciendo esto con un suspiro
De aquí a la eternidad:
Dos caminos se bifurcaban en un bosque y yo,
Yo tomé el menos transitado,
Y eso hizo toda la diferencia.

Mientras que nosotros nos sentimos muchas veces culpables por las desiciones que tomamos en nuestra vida, la realidad cuántica nos cuenta una historia completamente distinta a nivel microscópico. Enfrentarse a esta realidad por primera vez nos puede parecer increíble porque nuestra percepción esta viciada con las experiencias cotidianas en un mundo macroscopico. Un átomo, un fotón o una partícula elemental, puede efectivamente recorrer ambos senderos del bosque amarillo. Ellos pueden “experimentar” ambas experiencias simultáneamente.
Lo que hemos visto aquí es una de las muchas manifestaciones de lo que en mecánica cuántica se conoce como fenómeno de superposición.