Efecto observador

Mario Manzanares–AAA

El experimento de la doble rendija ha sido uno de los más revolucionarios de la física moderna, estando estrechamente vinculado con la mecánica cuántica y siendo generador de discusiones aún no resueltas.
Fue realizado en 1801 con rayos luminosos por el científico inglés Thomas Young (1773-1829), quien lo interpretó como evidencia de que la luz era un fenómeno ondulatorio.

Thomas Young

Unos 100 años más tarde, se aceptó que la luz podía comportarse tanto como una onda o como una partícula.
Pero no es el fenómeno de la dualidad onda-partícula de la luz el tema que nos ocupa.
Extremadamente sencillo, el experimento de la doble rendija nos ha enfrentado a hechos absolutamente contraintuitivos que, por su comprobada veracidad, ha despertado preguntas removedoras tanto en ciencia como en filosofía.
Veamos: supongamos que arrojamos pelotas de tenis contra una pared en la que se han practicado dos aberturas a modo de rendijas, con diámetro suficiente para que las pelotas puedan pasar a través de ellas. Detrás de la pared instalamos una pantalla sobre la cual las pelotas dejen una huella al impactarla. Muchas pelotas impactarán en la pared, rebotando en ella. Otras pasarán aleatoriamente por una rendija o por la otra, dejando su huella en la pantalla ubicada detrás. La sumatoria de esas huellas conformará un patrón, que mostrará acumulación de ellas detrás de cada rendija. Un patrón “de partículas”.
Hasta aquí, nada fuera de lo esperado.
¿Qué sucede si lo que golpea la pared son ondas de agua generadas en una cubeta?
El patrón de huellas en la pantalla situada detrás no será igual.
Será un patrón “de interferencia”.
Si dos ondas que pasen una por cada rendija coinciden, sumarán sus efectos y generarán una onda mayor. A esto se lo conoce como interferencia constructiva.
Si dos ondas que pasen cada una por una rendija suman el ápice de una con el valle de la otra, se cancelarán, esto es, se anularán mutuamente. A esto se lo conoce como interferencia destructiva.
El patrón dibujado en la pantalla será de franjas alternadas, con impactos y sin ellos.
Todo esto todavía dentro de lo esperado.
Pero ¿qué sucede si en lugar de pelotas de tenis arrojamos contra la pared partículas extremadamente pequeñas como electrones?
Este experimento fue realizado por Clinton Davisson (1881-1958) y Lester Germer (1896-1971) en 1927.

Clinton Joseph Davisson (izquierda; 1881-1958) y Lester Halbert Germer (derecha; 1896-1971)

Algunos impactarán la pared y otros pasarán por una rendija o por otra, dejando un patrón en la pantalla.
Comportándose en forma ondulatoria, pasarán aleatoriamente por una o por otra rendija, y ese patrón será de interferencia.
Y aquí viene lo que convierte todo en algo sorprendente e intrigante.
¿Qué ocurre si en cada rendija colocamos un detector, de modo que obtengamos una señal que nos revele por cuál rendija pasó el electrón?
En otras palabras, ¿qué ocurre si medimos, si “miramos”, si recabamos información y la guardamos en algún medio?
¿Se obtiene el mismo patrón?
No.
El patrón que se obtiene ahora es del tipo de comportamiento como partícula.
Cuando no “observamos”, el electrón se comporta como onda, mientras que al ser “observado” lo hace como partícula.
No se trata aquí de la conocida dualidad onda-partícula.
Es algo mucho más sorprendente.
Podemos enviar los electrones de a uno por vez, no emitiendo un segundo electrón hasta que el primero haya alcanzado su destino.
No habría así posibilidades de interferencia ya que en teoría no podría interferir consigo mismo.
Sin embargo el patrón final será de interferencia, a menos que “observemos” el proceso.
Si lo hacemos, si medimos, el patrón será de partículas.
Resultados similares se ha obtenido con átomos e incluso con moléculas.
¿Interfiere el electrón consigo mismo?
Sí y no.
Lo que ocurre es lo que se conoce como superposición cuántica. El electrón está a la vez en el aire del trayecto hacia la pared, impactando con esta, pasando por una rendija y pasando por la otra. Explora al mismo tiempo todos los caminos posibles hacia la pantalla detrás de la pared.
Los sistemas a nivel atómico y subatómico no se encuentran siempre en un estado concreto. Suelen hallarse en una superposición de estados. El electrón está en una superposición de paso por ambas rendijas, hasta que es observado. Interfiere consigo mismo y produce en la pantalla un patrón de interferencia.
Cuando se mide, cuando se coloca el detector y se observa, el electrón interactúa con el medio y ello provoca que su función de onda colapse. Debe necesariamente optar por un camino, y actúa como partícula.
Pierde su función de onda y su propiedad cuántica de superposición, y se manifiesta con características físicas clásicas.
Cuanto más información se obtiene sobre la trayectoria (naturaleza corpuscular), menos visible se torna el patrón de interferencia.
El acto de observar, medir o monitorear altera necesariamente el estado original. Obliga a las partículas a adoptar un estado definido (colapso de la función de onda).
No hay experimento alguno que pueda demostrar esta naturaleza ondulatoria en objetos macroscópicos.
La longitud de onda asociada a un electrón es muy pequeña pero medible, de aproximadamente 3 picómetros [ 3 x 10(-12) metros], dentro del rango de los rayos X o rayos gamma. Para un objeto del tamaño de un automóvil sería imposible de medir, en el orden de 6,6 x 10(- 39) metros.
Sólo adentrándose en el átomo y sus partículas es posible.
El experimento de la doble rendija llevó a discusiones filosóficas más desconcertantes que el experimento mismo, como:
¿las cosas existen si no las observamos? ¿está la Luna ahí cuando no la miramos?
Se ha llamado a lo hallado el fenómeno del observador, pero la realidad no guarda relación con la intervención de la conciencia humana.
¿Qué sucede si colocamos los detectores en las rendijas pero los mantenemos apagados?¿Cuál patrón aparecerá en la pantalla?
Un patrón corpuscular.
El fenómeno del observador no hace referencia a la interacción con la conciencia humana como factor que interfiera alterando la situación de superposición cuántica.
Es la interacción con el medio (los detectores) la que inclina la balanza hacia el lado clásico.
La Luna seguirá estando allí cuando no la miremos.
En ausencia de un dispositivo de determinación el resultado es que, en condiciones apropiadas, se produce un fenómeno de interferencia típico de fenómenos clásicos ondulatorios.
Si tratamos de observar los electrones dejará de haber interferencia.
Desaparece la probabilidad para ser sustituída por la certeza.
La interacción con el medio hace que el electrón pueda ir a un punto donde la probabilidad de que se hallara ahí fuera mínima en ausencia de medición.
No se puede construir un experimento que sea capaz de asegurar por cuál rendija pasará el electrón, sin destruir a la vez el patrón de interferencia.
Según palabras de Richard Feynman (1918-1988) “Este experimento encierra todo lo enigmático y encantador de la mecánica cuántica. Es un fenómeno imposible de explicar por medios clásicos, y contiene en sí el alma de la mecánica cuántica.”
La ruptura de la mecánica cuántica con la clásica es total, pues propone una visión probabilística del mundo. Una partícula no se halla en determinado lugar sino que existe una probabilidad de que así sea. De hecho, es posible hallarla en cualquier lugar del universo. La noción de causalidad desaparece, quedando sólo la probabilidad de que algo suceda. A escala muy pequeña las cosas dejan de comportarse como cualquier cosa de la que tengamos experiencia directa.
Las partículas llevan asociada una “función de onda” que, en principio, se extiende por todo el universo. Descrita matemáticamente por la ecuación de Schrödinger, explica cómo interaccionan las partículas entre sí.
La función de onda es más intensa en aquella región del espacio que corresponde a la posición en la que uno más esperaría hallar la partícula, y se va debilitando a medida que nos alejamos de ella pero sin desaparecer nunca. La función de onda nos brinda información sobre la posibilidad de hallar la partícula en una región determinada del espacio, y es mayor en donde según nuestra forma cotidiana de ver debe estar.
Cuando detectamos la partícula, la función de onda “colapsa” y en ese instante sabemos con certeza dónde se halla. En el momento en que dejamos de hacerlo, la función de onda se expande nuevamente por todo el espacio, e interfiere con las funciones de onda de otras partículas e incluso consigo misma.
En una encuesta realizada en 2003 por la revista Physics World a sus lectores, se preguntó a estos cuál experimento consideraban como el más bello de la física. El ganador fue el experimento de la doble rendija.