Experimento de la Doble Rendija

Descripción:

Este famoso experimento, se puede considerar como uno de los origenes de la mecánica cuántica, obstante el  experimento es anterior al desarrollo de la misma, pretendiendo en sus inicio discernir la naturaleza ondulatoria o corpuscular de la luz.

Respecto a la disposición del experimento, se considera un foco de partículas, aunque originalmente se empleó luz, fotones, se colima y se hace incidir perpendicularmente sobre una placa con dos aberturas o rendijas, para posteriormente colisionar en una pantalla que registrará los impactos.  Es importante que el tamaño de las rendijas no sea muy grande y sea del orden de la longitud de onda, a fin de poder producirse la difracción.

 En la figura se obserba un foco de luz, la primera ranura es el equivalente a un colimador, le siguen las dos rendijas, y finalmente la pantalla.

Evidencia experimental:

Considérense los siguientes prodecimientos de medida:

1. Tapamos la ranura izquierada, y se mide el patrón regristrado en la pantalla.
2. Se tapa la rendija derecha y se prepite la medida anterior, obteniendo así otro patrón.
3. Finalmente se dejan ambas aperturas abiertas y se vuelve a registrar el patrón en la pantalla.

 Ahora se nos plantea la siguiente cuestión, ¿Que forma deben tener los tres patrones?

Como es lógico los patrones de los experimentos 1 y 2 serán los mismos, por ser simetrico el dispositivo. La naturaleza no distingue entre ranura izquierda o derecha y por tanto, el patrón deberá ser el mismo. En efecyo, esto se comprueba experimentalmente, obteniendo dos patrones de intensidad como los de la figura.

Ahora supóngase que nos encontramos en el tercer caso, con ambas ranuras abiertas ¿Qué patrón de intensidades observamos en la pantalla?. Bien, la física clásica presupone la superposiciónd e los patrones obtenidos en los experimentos 1 y 2, pero la reliadad es otra, mostrando un patron completamente distitnto como se aprecia en la figura.

En la figura se aprecian los patrones de intensidad en la placa fotográfica o pantalla.

Explicación teórica:

La explicación al experimento radica en el problema de la medida o también llamado colapso de la función de onda. En este dispositivo, se mide un patrón de difracción pero no es la única información del sistema. Se sabe además que en 1, la luz debe pasar obligatoriamente por la ranura izquieda, y en 2 por la derecha. Por contra, en 3, no tenemos información de la rendija que es atravesada. Así el tapar un abertura u otra da información de la tracyectoria de luz, y por tanto, se pude considerar como una medida. Pero medir en cuántica, significa perturbar irremediablemente el sistema, así lo estable el principio de indeterminación. Luego cuando se realiza el proceso de medida, se esta determinando el estado del sistema y en consecuencia en cierto modo mostramos al sistema como comportarse. En el caso que nos atañe, tapar un rendija, da información de la rendija que va a pasar y la luz s ecomporta como corpúsculo y no genera un patron interferencial. Al abrir las dos rendijas, no hay información de la trayectoria de la luz, se comporta entonces como una onda, (si fuera un corpúsculo, unicamente podría pasar por una rendija) y no generaría patrón interferencial alguno. 

Así queda de manifiesto la naturaleza dual de la luz. Por supuesto esto se puede obtener analíticamente,  no entraremos en ello, ver referencias.

Variantes del experimento:

Ya se mencionó en la descripción que no es necesario el empleo de luz para la realización del experimento, pudiendo usarse distintar partículas, en concreto, es común  poryectar electrones, neutrones o protones, aunque, también se harealizado el experimento con átomos e incluso moléculas mas o menos complejas como puede ser un fulereno. Existieron variantes de este experimento, unos a fin de ver si la mecánica cuántica es consistente y otros por pura ciencia, prueba de ello son experimentos como:

Aharonov-Bohm: Consiste en relilar el mismo experimento, aplicando además un campo magnético. Este experimento pone de manifiesto el efecto que lleva su mismo nombre, efecto Aharonov-Bohm. Brevemente, este consiste en que las partículas con carga electrica peuden verse afectas por campos electromagnéticos incluso en ausencia de dichos campos, su explilcación se debe al acoplamiento del potencial con la fase de la función de onda.

Experimento de Shahriar Afshar: Es un polémico experimento e induce a pensar que se viola el principio de complementariedad, pero debe tomarse con cuidado. Consiste en colocar una rejilla tras la 2 ranuras, de modo que los agujeros de la rejilla coincidan con los maximos de difracción cuando ambas rendijas esten abiertas. Posteriormente se coloca una lente, de modoq ue la partícula prodecente de la ranura 1 va a deterctor 1 y la de la ranura 2 a un segundo detector. No describiremos el experimento ni por que se viola, simplemente lo dejamos como una variante del experimento.
Otros experimentos de los cuales ahora mismo no recuerdo el nombre, situan detectores a la salida de cada orificio, por ejemplo un gas que se excite al paso del fotón por el orificio y en consecuencia pro el detector. De este modo al pasar la partícula se produce una excitación del gas que podemos medir, tratando de conocer así la ranura por la cual pasó la partícula. El resultado es el mismo, la colocación del detector pertuba la medida determinando el estado del sistema.


Conclusiones:

La paradoja del experimento de la doble rendija, radica en los distintos registros en una placa fotográfica (Pantalla), al variar las rendijas abiertas. El principio de complementariedad establece que, la luz se comporta como onda o como corpúsculo. Al pasar la luz por cualquier de las aberturas detectamos la misma cantidad de energía (quanto), y por tanto predecimos la existencia de una partícula. Pero con los dos orificios abiertos, es imposible determinar la trayectoria de luz, su comportamiento es ondulatorio. Medir es obtener información del estado del sistema, pero tras la medida se pierde ese información (Colapso de la función de onda).
 

Referencias:

Las referencias donde obtenermas mayor información son las siguientes

• Leslie. E. Ballentine. Quantum Mechanics: A Modern Developmen
• Carlos Sanchez Del Rio. Física Cuántica.
• Galindo y Pascual. Quantum Mechanics.
• Sakurai, Jun John. Modern Quantum Mechanics.