Tendencias21
Materializan un experimento mental para desentrañar el misterio cuántico

Materializan un experimento mental para desentrañar el misterio cuántico

En 1965, el afamado físico norteamericano Richard Feynman popularizó la idea de que los electrones se comportan al mismo tiempo como onda y como partícula. Además, el científico propuso una metodología para demostrar este hecho. Ahora, por vez primera, científicos de la Universidad de Nebraska-Lincoln (EEUU) han conseguido ponerla en práctica con exactitud. Por Yaiza Martínez.

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.

Materializan un experimento mental para desentrañar el misterio cuántico

La dualidad onda-partícula y sus implicaciones

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.

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Detectan emisiones de radio similares a auroras sobre las manchas solares 22 marzo, 2024
    Los astrónomos han observado explosiones de radio duraderas similares a auroras sobre una mancha solar: el descubrimiento podría ayudarnos a comprender mejor al Sol, así como facilitar la identificación de estrellas distantes que producen emisiones de radio similares.
    Pablo Javier Piacente
  • Descubren un material que se hace más fuerte con cada golpe 22 marzo, 2024
    Un nuevo material elástico presenta una increíble "durabilidad adaptativa": cada vez que se cae o se golpea, su fuerza se incrementa y se vuelve más difícil de romper. Podría ser de gran utilidad en futuros dispositivos electrónicos como nuevos teléfonos móviles, relojes inteligentes o tabletas, que están continuamente expuestos a todo tipo de golpes. Además, […]
    Pablo Javier Piacente
  • El Arco de Gibraltar está migrando desde el Mediterráneo hacia el Atlántico 22 marzo, 2024
    Una zona de subducción que se origina en el Mediterráneo occidental se está moviendo desde la región franco-española hacia el sur. Actualmente está a la altura de la frontera entre España y Portugal y se propaga hacia el Atlántico bajo el Estrecho de Gibraltar.
    JGU/T21
  • Antiguas canoas revelan cómo los marinos del Neolítico surcaron el Mediterráneo 21 marzo, 2024
    Una nueva investigación liderada por Juan Gibaja, del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas (CSIC) de España, y publicada recientemente en la revista PLOS One, arroja luz sobre las primeras embarcaciones neolíticas en el Mediterráneo: las excavaciones en el pueblo de agricultores de la Edad de Piedra de La Marmotta, en Italia, han permitido recuperar cinco […]
    Pablo Javier Piacente
  • En los próximos meses, una "nueva estrella" iluminará el cielo nocturno 21 marzo, 2024
    Los científicos de la NASA han informado que durante este año el sistema estelar T Coronae Borealis podrá verse a simple vista en el cielo nocturno, luego de una violenta explosión cósmica que tendrá lugar en algún momento en los próximos seis meses. La “nueva estrella” en el cielo podrá apreciarse sin la ayuda de […]
    Pablo Javier Piacente
  • La Antártida puede perder su neutralidad y su actividad exclusivamente científica 21 marzo, 2024
    El cambio climático y la creciente demanda de recursos está sacudiendo de la Antártida como continente neutral y exclusivamente científico. La rivalidad entre potencias ha comenzado a hacerse presente en las costas antárticas.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Los primeros recuerdos son solo reconstrucciones mentales 21 marzo, 2024
    Lejos de ser grabaciones fidedignas de la realidad, los primeros recuerdos son más bien un mosaico compuesto por experiencias reales, narrativas familiares y reconstrucciones mentales. A medida que crecemos, este mosaico se enriquece y se transforma, pero los fragmentos de nuestra primera infancia permanecen, en gran medida, como piezas imaginadas en un rompecabezas de la […]
    Redacción T21
  • Los vínculos sociales alinean a las personas en la misma longitud de onda 20 marzo, 2024
    El vínculo social mejora el intercambio de información y sincroniza las actividades cerebrales entre el líder de un grupo y sus seguidores, colocando a todo el grupo en la misma longitud de onda cerebral, según un nuevo estudio de sincronización neuronal.
    Pablo Javier Piacente
  • Partículas desconocidas de energía oscura serían la fuerza impulsora detrás de la expansión del Universo 20 marzo, 2024
    Una nueva investigación teórica sugiere que la misteriosa energía oscura estaría compuesta por "no partículas" y podría estar ligada a la expansión del cosmos, "separando" lentamente al Universo. Esto explicaría por qué los científicos no logran comprender aún en profundidad cómo el Universo se expande de forma cada vez más acelerada. También revelaría la causa […]
    Pablo Javier Piacente
  • Las mujeres científicas lideran las investigaciones sobre la sequía 20 marzo, 2024
    Las mujeres científicas están a la vanguardia de las investigaciones sobre la sequía para preservar la producción agrícola, gestionar el agua y mitigar los efectos del calentamiento global. Sobre el terreno, están también mejor preparadas para gestionar los desastres naturales.
    Alicia Domínguez y Eduardo Costas (*)