Los entresijos de la realidad a examen: el experimento de la doble rendija

Desde el punto de vista del sentido común, la realidad tiene un comportamiento absurdo. Intentar comprenderla es volverse loco, especialmente en su dimensión más íntima (el mundo subatómico). Por ejemplo, pongamos que el núcleo de los átomos que conforman esa realidad material es del tamaño de una cabeza de alfiler. Bien, ahí se concentrará el 99.9999% de la masa atómica. A esa escala, la nube de electrones que completa el átomo crearía una esfera que ocuparía el tamaño de un estadio de fútbol promedio. Lo que hay entre la nube que rodea al estadio y la cabeza de alfiler sería puro vacío. Sí, los libros de texto de física hay que cambiarlos. El electrón no es una bolita girando en torno al núcleo, sino que se halla ‘en todas partes’ formando una nube. La palabra nube sugiere algo blando y flexible, pero en este caso se trata más bien de un potente caparazón impenetrable. Es posible debilitarlo al estilo como se atacaban a las naves extraterrestres de ‘Independence Day’, arrancándole electrones y dejando el núcleo libre, pero de inmediato tomará otro electrón de algún otro átomo servicial y se fortalecerá de nuevo el campo de fuerza. Tan extraordinariamente fuerte es que impide que nuestro cuerpo, compuesto mayoritariamente de vacío, se incruste en otros objetos también compuestos en su mayor parte de vacío, o que se hunda en el suelo que pisamos. Sí, la realidad es extraña, pero la curiosidad humana no se da por vencida.  

 

En condiciones normales, la nube de electrones que rodea al núcleo impide que penetre energía como la luz, y no podamos ver qué hay a través de ella. La solución, fuerza bruta. El gran colisionador de hadrones (LHC) construido en el CERN (la Organización Europea para a Investigación Nuclear), en Suiza, pretende eso mismo, romper la cáscara del huevo par ver qué hay dentro. El LHC puede acelerar una corriente de protones (átomos privados de sus electrones) a velocidades muy elevadas para que después colisionen con otra corriente de protones que se mueven en dirección contraria. Estos experimentos han desvelado que la realidad es básicamente un equilibrio vibrante y dinámico de fuerzas de alta energía que tratan de mantener estable el núcleo de un átomo a través de los quarks (que forman el núcleo atómico), gluones (el ‘pegamento’ que mantiene a los quarks unidos) y un largo etcétera de partículas elementales cuyos nombres marean un poco. Ninguna de estas partículas puede existir por sí sola, e incluso algunas de esas partículas no son partículas estrictamente hablando al no tener masa y, en su lugar, sirven para llevar fuerzas entre partículas que sí tienen masa (los bosones, por ejemplo). De hecho, el Modelo Estándar, que partió de la premisa de describir la realidad a través de las partículas fundamentales, comienza a describirse como interacciones fundamentales. El deseo de clasificar el reino subatómico en términos de partículas no es sino el reflejo de cómo interpretamos el mundo cotidiano. Nuestros sentidos y entendimiento se ocupan de objetos separados: tomo un vaso, tiro una piedra, limpio el tenedor. El mundo subatómico se antoja completamente distinto, y he ahí la locura. 

Nada evidencia más la insensatez de cómo se gesta la realidad a partir del reino subatómico que el experimento de la doble rendija. Richard Feymann, el padre de buena parte de la mecánica cuántica, dijo que todo el misterio del mundo subatómico, y la posibilidad de entenderlo, está en el experimento de la doble rendija. Lo primero, como primates medianamente avanzados, predecimos que, si nos imaginamos el lanzamiento de unas canicas a través de una placa con un orificio, algunas de ellas pasarán a través del orificio y se incrustarán al otro lado de la placa, dejando una marca en la pared. Si hacemos un segundo orificio, serán entonces dos marcas, tal como en la siguiente imagen. 

 

 Dos franjas verticales, correspondientes al comportamiento de la materia como partículas (canicas) que han logrado atravesar la placa anterior a través de las ranuras.

Ahora, probemos con ondas en lugar de con canicas. Para ello, imagina que lanzas una piedra a un estanque con agua. La pequeña ola que se genera, en cuanto alcance el orificio, se propagará a través de él y veremos que rompe con más intensidad en el lugar de la pared detrás del orificio. Es similar entonces al efecto de las canicas. Pero cuando hacemos un segundo orificio, en el caso de la onda de agua que atraviesa ambos orificios obtendremos un patrón de interferencia al otro lado. Donde chocan las dos partes superiores de las ondas hay más intensidad contra la pared, y donde se eliminan no hay nada, tal como muestra la imagen.

Patrón de interferencia típico de una onda. Este dibujo se produce porque el ‘oleaje’ inicial, como cualquier onda, se difracta al atravesar las ranuras, dando lugar a dos oleajes que interfieren entre sí.

 

Bien, un electrón es un pedacito minúsculo de materia, como nuestra canica, pero al lanzar una ráfaga de electrones a través de los dos orificios lo que ocurre es que aparece el patrón de interferencia en la pared de atrás, tal como en el caso de las ondas. Los científicos cambiaron de estrategia, ya que pensaron que quizá en una ráfaga los electrones podrían rebotar al otro lado y darse ese patrón, por lo que lanzaron uno a uno esos electrones para asegurarse que no interfirieran entre sí. Lo lógico, de nuevo, era esperar que al tiempo de lanzar uno a uno, aparecieran dos marcas tras haber atravesado los dos orificios. Pero… volvía a aparecer el patrón de interferencia típico de una onda. 

¿Cómo puede la materia comportarse como una onda, tal como la luz? Esto tiene miga y de nuevo hay que cambiar la concepción contrasentido de algunas cosas. No se trata de transformar una onda como la del agua en una bolita o viceversa, sino de que se pueda asociar algún tipo de onda a la bolita. Piénsese que una onda es una forma de propagación, en todas las direcciones posibles desde el emisor. Siguiendo el símil, las ondas en todas direcciones tras tirar una piedra en el agua, pero también el sonido que oímos tras la vibración de la cuerda de una guitarra o… la luz que emite una bombilla. ¿No está la luz una onda compuesta por partículas, los fotones? Efectivamente. La masa de los fotones es cero, su velocidad es la de la luz y, aquí viene la clave, tienen un impulso asociado a la longitud de onda de esa luz (la longitud de onda es una característica de las ondas que nos dice a qué distancia la onda vuelve a repetirse). 

Fue De Broglie quien extrapoló este hecho de la luz a los electrones. Asignó una longitud, pero no a un movimiento periódico de una partícula como hizo Einstein con el fotón, sino a unas ondulaciones que acompañaban a la partícula a través del espacio y el tiempo. Como la velocidad de una onda es el producto de su longitud de onda y frecuencia (ver imagen), podemos hacer una estimación de la onda de De Broglie asociada al electrón. Si el electrón se mueve con una velocidad próxima a la de la luz, por ejemplo, un 60% la velocidad de la luz, su longitud de onda asociada es aproximadamente 3 picómetros (billonésima parte de un metro, o 3x10^-12 m). Una longitud de onda muy pequeña pero medible, dentro del espectro de los rayos X o gamma. Ahora, calculemos la longitud de onda de De Broglie de un automóvil estándar que pesa 1.000 kg y se mueve a una velocidad de 100 metros por segundo. La longitud de onda asociada a este automóvil es de 6,6 x 10⁻³⁹ m, que es tan pequeña que es imposible de medir. Por tanto, no existe experimento alguno que pueda mostrar la naturaleza ondulatoria de los objetos macroscópicos. Solo cuando se penetra dentro del átomo para hacer experimentos con las partículas atómicas y nucleares es posible observar la longitud de onda de De Broglie, la longitud de onda de las partículas.

 

Comprendido medianamente la cualidad ondulatoria de las partículas (demostrable y por ser medibles a escala subatómica, como en el caso del electrón), sigamos con el experimento de la doble rendija. Cuando los científicos pusieron un dispositivo de medición para ver realmente por qué orificio pasaba cada electrón y qué diantres le ocurría después, misteriosamente volvían a comportarse como canicas y dibujar los dos patrones marcados tras los dos orificios. La acción de medir, observar, conllevó a que el electrón actuara de forma distinta y solo pasar por una de las dos rendijas, como si fuera consciente de que lo observaran. Y si no se mide, ¿dónde diablos está el electrón? Porque en alguna parte estará, ¿no? Entonces, ¿está la Luna ahí si no la miramos? De nuevo, debemos entender el mundo subatómico como una interacción y equilibrio de fuerzas que usa toda la ‘información’ disponible para crear la realidad. Es decir, dado que no hay absolutamente nada en el mundo subatómico que no interfiera, ni siquiera el vacío, cualquier información extra va a computarse para la definición de un evento futuro. Una observación o medición significa generar información del estado cuántico de una partícula, y en el caso del experimento de doble rendija información sobre si ésta pasó por uno u otro orificio, pero no por ambas a la vez como hace una onda. En otras palabras, para un observador del mundo subatómico, su presente debe ser coherente con su pasado y con el futuro, porque el futuro será su presente y deberá ser coherente con su pasado, ahora su presente. Se dice que la función de onda del electrón colapsa tras ser observada. La famosa analogía con el gato vivo/muerto de Schrödinger pretende resumir este hecho, ya que hasta que no abrimos la caja donde hay veneno para el gato, no sabremos si estará vivo o muerto.

En resumen, las leyes últimas de la realidad se basan en probabilidades de que los eventos futuros ocurran, y nunca podremos saber cómo son a menos que lo observemos, y el proceso de observación lo altera. La polémica está servida: ¿es la conciencia del observador la que provoca el colapso de la función de onda? ¿Puede hacerla colapsar una bacteria? ¿Existe el electrón antes de que midamos algo de él? En definitiva, ¿cómo sabemos que la Luna está ahí si no la miramos? 

Feliz año…

 

 

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Lecturas recomendables:

Lozano M. (2015). Einstein, Bohr, De Broglie, Heisenberg y otros. La doble rendija. En, De Arquímedes a Einstein. Penguin Random House Grupo Editorial, SAU. Barcelona, España.

Selbie, J. (2021). The Physics of God. New Page Book. Newburyport, EEUU.