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Experimento de doble rendija

En la física moderna , el experimento de la doble rendija demuestra que la luz y la materia pueden satisfacer las definiciones clásicas aparentemente incongruentes tanto para ondas como para partículas. Esta ambigüedad se considera evidencia de la naturaleza fundamentalmente probabilística de la mecánica cuántica . Este tipo de experimento fue realizado por primera vez por Thomas Young en 1801, como demostración del comportamiento ondulatorio de la luz visible. [1] En 1927, Davisson y Germer e, independientemente, George Paget Thomson y su estudiante de investigación Alexander Reid [2] demostraron que los electrones muestran el mismo comportamiento, que luego se extendió a los átomos y las moléculas. [3] [4] [5] El experimento de Thomas Young con la luz fue parte de la física clásica mucho antes del desarrollo de la mecánica cuántica y el concepto de dualidad onda-partícula . Creía que demostraba que la teoría ondulatoria de la luz de Christiaan Huygens era correcta, y su experimento a veces se denomina experimento de Young [6] o rendijas de Young. [7]

El experimento pertenece a una clase general de experimentos de "doble trayectoria", en los que una onda se divide en dos ondas separadas (la onda suele estar formada por muchos fotones y es mejor denominarla frente de onda, que no debe confundirse con las propiedades de la onda). del fotón individual) que luego se combinan en una sola onda. Los cambios en las longitudes de trayectoria de ambas ondas dan como resultado un cambio de fase , creando un patrón de interferencia . Otra versión es el interferómetro Mach-Zehnder , que divide el haz con un divisor de haz .

En la versión básica de este experimento, una fuente de luz coherente , como un rayo láser , ilumina una placa atravesada por dos rendijas paralelas, y la luz que pasa a través de las rendijas se observa en una pantalla detrás de la placa. [8] [9] La naturaleza ondulatoria de la luz hace que las ondas de luz que pasan a través de las dos rendijas interfieran , produciendo bandas brillantes y oscuras en la pantalla, un resultado que no se esperaría si la luz estuviera compuesta de partículas clásicas. [8] [10] Sin embargo, la luz siempre se absorbe en la pantalla en puntos discretos, como partículas individuales (no como ondas); El patrón de interferencia aparece a través de la densidad variable de estos impactos de partículas en la pantalla. [11] Además, las versiones del experimento que incluyen detectores en las rendijas encuentran que cada fotón detectado pasa a través de una rendija (como lo haría una partícula clásica), y no a través de ambas rendijas (como lo haría una onda). [12] [13] [14] [15] [16] Sin embargo, tales experimentos demuestran que las partículas no forman el patrón de interferencia si se detecta por qué rendija pasan. Estos resultados demuestran el principio de dualidad onda-partícula . [17] [18]

Se ha descubierto que otras entidades de escala atómica, como los electrones , exhiben el mismo comportamiento cuando se disparan hacia una doble rendija. [9] Además, se observa que la detección de impactos discretos individuales es inherentemente probabilística, lo cual es inexplicable utilizando la mecánica clásica . [9]

El experimento se puede realizar con entidades mucho más grandes que los electrones y los fotones, aunque se vuelve más difícil a medida que aumenta el tamaño. Las entidades más grandes para las que se realizó el experimento de la doble rendija fueron moléculas que comprendían cada una de ellas 2.000 átomos (cuya masa total era de 25.000 unidades de masa atómica ). [19]

El experimento de la doble rendija (y sus variaciones) se ha convertido en un clásico por su claridad al expresar los enigmas centrales de la mecánica cuántica. Debido a que demuestra la limitación fundamental de la capacidad del observador para predecir resultados experimentales, Richard Feynman lo llamó "un fenómeno que es imposible [...] de explicar de cualquier manera clásica , y que tiene en sí el corazón de la mecánica cuántica". , contiene el único misterio [de la mecánica cuántica]". [9]

Descripción general

Mismo conjunto de doble ranura (0,7 mm entre ranuras); en la imagen superior, una rendija está cerrada. En la imagen de rendija única, se forma un patrón de difracción (los puntos débiles a cada lado de la banda principal) debido al ancho distinto de cero de la rendija. Este patrón de difracción también se ve en la imagen de doble rendija, pero con muchas franjas de interferencia más pequeñas.

Si la luz constara estrictamente de partículas ordinarias o clásicas , y estas partículas fueran disparadas en línea recta a través de una rendija y permitidas que impactaran en una pantalla del otro lado, esperaríamos ver un patrón correspondiente al tamaño y la forma de la rendija. Sin embargo, cuando realmente se realiza este "experimento de rendija única", el patrón en la pantalla es un patrón de difracción en el que la luz se dispersa. Cuanto más pequeña es la rendija, mayor es el ángulo de extensión. La parte superior de la imagen muestra la parte central del patrón que se forma cuando un láser rojo ilumina una rendija y, si se mira con atención, dos bandas laterales tenues. Se pueden ver más bandas con un aparato más refinado. La difracción explica que el patrón es el resultado de la interferencia de ondas de luz procedentes de la rendija.

Si se iluminan dos rendijas paralelas, la luz de las dos rendijas vuelve a interferir. Aquí la interferencia es un patrón más pronunciado con una serie de bandas alternas claras y oscuras. El ancho de las bandas es una propiedad de la frecuencia de la luz que ilumina. [20] (Vea la fotografía inferior a la derecha).

Dibujo de difracción de Young.

Cuando Thomas Young (1773-1829) demostró por primera vez este fenómeno, indicó que la luz está formada por ondas, ya que la distribución del brillo puede explicarse por la interferencia alternativamente aditiva y sustractiva de los frentes de onda . [9] El experimento de Young, realizado a principios del siglo XIX, jugó un papel crucial en la comprensión de la teoría ondulatoria de la luz, venciendo la teoría corpuscular de la luz propuesta por Isaac Newton , que había sido el modelo aceptado de propagación de la luz en los siglos XVII y XIX. Siglos XVIII.

Sin embargo, el descubrimiento posterior del efecto fotoeléctrico demostró que, en diferentes circunstancias, la luz puede comportarse como si estuviera compuesta de partículas discretas. Estos descubrimientos aparentemente contradictorios hicieron necesario ir más allá de la física clásica y tener en cuenta la naturaleza cuántica de la luz.

A Feynman le gustaba decir que toda la mecánica cuántica puede deducirse reflexionando detenidamente sobre las implicaciones de este único experimento. [21] También propuso (como experimento mental) que si se colocaran detectores antes de cada rendija, el patrón de interferencia desaparecería. [22]

La relación de dualidad Englert-Greenberger proporciona un tratamiento detallado de las matemáticas de la interferencia de doble rendija en el contexto de la mecánica cuántica.

GI Taylor realizó por primera vez un experimento de doble rendija de baja intensidad en 1909, [23] reduciendo el nivel de luz incidente hasta que los eventos de emisión/absorción de fotones en su mayoría no se superpusieran.Un experimento de interferencia de rendijas no se realizó con nada más que luz hasta 1961, cuando Claus Jönsson de la Universidad de Tübingen lo realizó con haces de electrones coherentes y múltiples rendijas. [24] [25] En 1974, los físicos italianos Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli y Giulio Pozzi realizaron un experimento relacionado utilizando electrones individuales de una fuente coherente y un divisor de haz biprisma, mostrando la naturaleza estadística de la acumulación de interferencia. patrón, como lo predice la teoría cuántica. [26] [27] En 2002, la versión de un solo electrón del experimento fue votada como "el experimento más hermoso" por los lectores de Physics World . [28] Desde entonces se han publicado varios experimentos relacionados, con un poco de controversia. [29]

En 2012, Stefano Frabboni y sus colaboradores enviaron electrones individuales a rendijas nanofabricadas (de unos 100 nm de ancho) y, al detectar los electrones transmitidos con un detector de un solo electrón, pudieron mostrar la acumulación de un patrón de interferencia de doble rendija. [30] Se han realizado muchos experimentos relacionados que involucran la interferencia coherente; son la base de la difracción de electrones, la microscopía y las imágenes de alta resolución modernas. [31] [32]

En 2018, un grupo liderado por Marco Giammarchi demostró la interferencia de una sola partícula para la antimateria en el Laboratorio de Positrones (L-NESS, Politecnico di Milano ) de Rafael Ferragut en Como ( Italia ). [33]

Variaciones del experimento.

Interferencia de partículas individuales.

Una versión importante de este experimento implica la detección de partículas individuales. Enviar partículas coherentes a través de un aparato de doble rendija, una a la vez, da como resultado que las partículas individuales se detecten como puntos blancos en la pantalla, como se esperaba. Sin embargo, sorprendentemente, surge un patrón de interferencia cuando se permite que estas partículas se acumulen una por una (ver la imagen a continuación).

Esto demuestra la dualidad onda-partícula , que establece que toda la materia exhibe propiedades tanto de onda como de partícula: la partícula se mide como un solo pulso en una sola posición, mientras que el módulo al cuadrado de la onda describe la probabilidad de detectar la partícula en una posición específica. lugar en la pantalla dando un patrón de interferencia estadística. [35] Se ha demostrado que este fenómeno ocurre con fotones, [36] electrones, [37] átomos e incluso algunas moléculas: con buckminsterfullereno ( C
60) en 2001, [38] [39] [40] [41] con 2 moléculas de 430 átomos ( C
60(C
12F
25)
10y C
168h
94F
152oh
8norte
4S
4) en 2011, [42] y con moléculas de hasta 2000 átomos en 2019. [43]

Interferómetro Mach-Zehnder

Los fotones en un interferómetro Mach-Zehnder exhiben interferencias en forma de ondas y detección de partículas en detectores de fotón único .

El interferómetro de Mach-Zehnder puede verse como una versión simplificada del experimento de la doble rendija. En lugar de propagarse a través del espacio libre después de las dos rendijas y llegar a cualquier posición en una pantalla extendida, en el interferómetro los fotones sólo pueden propagarse a través de dos caminos y llegar a dos fotodetectores discretos. Esto hace posible describirlo mediante álgebra lineal simple en dimensión 2, en lugar de ecuaciones diferenciales.

Un fotón emitido por el láser incide en el primer divisor de haz y se superpone entre los dos caminos posibles. En el segundo divisor de haz, estos caminos interfieren, lo que hace que el fotón golpee el fotodetector de la derecha con probabilidad uno y el fotodetector de abajo con probabilidad cero. Es interesante considerar qué sucedería si el fotón estuviera definitivamente en cualquiera de los caminos entre los divisores del haz. Esto se puede lograr bloqueando uno de los caminos o, de manera equivalente, detectando la presencia de un fotón allí. En ambos casos ya no habrá interferencia entre las rutas y ambos fotodetectores serán impactados con una probabilidad de 1/2. De esto podemos concluir que el fotón no toma un camino u otro después del primer divisor de haz, sino que se encuentra en una auténtica superposición cuántica de los dos caminos. [44]

Experimentos de "en qué dirección" y el principio de complementariedad

Un conocido experimento mental predice que si se colocan detectores de partículas en las rendijas, mostrando por qué rendija pasa un fotón, el patrón de interferencia desaparecerá. [9] Este experimento de dirección ilustra el principio de complementariedad de que los fotones pueden comportarse como partículas u ondas, pero no pueden observarse como ambas al mismo tiempo. [45] [46] [47] A pesar de la importancia de este experimento mental en la historia de la mecánica cuántica (por ejemplo, ver la discusión sobre la versión de Einstein de este experimento ), no se propusieron realizaciones técnicamente factibles de este experimento hasta la década de 1970. [48] ​​(Las implementaciones ingenuas del experimento mental del libro de texto no son posibles porque los fotones no se pueden detectar sin absorber el fotón). Actualmente, se han realizado múltiples experimentos que ilustran varios aspectos de la complementariedad. [49]

Un experimento realizado en 1987 [50] [51] produjo resultados que demostraron que se podía obtener información parcial sobre el camino que había tomado una partícula sin destruir la interferencia por completo. Este "compromiso onda-partícula" toma la forma de una desigualdad que relaciona la visibilidad del patrón de interferencia y la distinguibilidad de los caminos en qué dirección. [52]

Elección retrasada y variaciones del borrador cuántico

Experimento de elección retrasada de Wheeler
Un diagrama del experimento de elección retardada de Wheeler, que muestra el principio de determinar la trayectoria del fotón después de pasar por la rendija.

Los experimentos de elección retardada de Wheeler demuestran que extraer información sobre "qué camino" después de que una partícula pasa a través de las rendijas puede parecer alterar retroactivamente su comportamiento anterior en las rendijas.

Los experimentos con borradores cuánticos demuestran que el comportamiento de las ondas se puede restaurar borrando o haciendo no disponible permanentemente la información de "qué camino".

En un artículo de Scientific American se ofrece una sencilla ilustración casera del fenómeno del borrador cuántico . [53] Si se colocan polarizadores antes de cada rendija con sus ejes ortogonales entre sí, se eliminará el patrón de interferencia. Se puede considerar que los polarizadores introducen información de qué camino a cada haz. La introducción de un tercer polarizador delante del detector con un eje de 45° con respecto a los otros polarizadores "borra" esta información, permitiendo que reaparezca el patrón de interferencia. Esto también puede explicarse considerando la luz como una onda clásica, [53] : 91  y también cuando se utilizan polarizadores circulares y fotones individuales. [54] : 6  Las implementaciones de los polarizadores que utilizan pares de fotones entrelazados no tienen una explicación clásica. [54]

Medición débil

En un experimento muy publicitado en 2012, los investigadores afirmaron haber identificado el camino que había seguido cada partícula sin ningún efecto adverso en el patrón de interferencia generado por las partículas. [55] Para hacer esto, utilizaron una configuración tal que las partículas que llegaban a la pantalla no provenían de una fuente puntual, sino de una fuente con dos máximos de intensidad. Sin embargo, comentaristas como Svensson [56] han señalado que, de hecho, no existe ningún conflicto entre las mediciones débiles realizadas en esta variante del experimento de la doble rendija y el principio de incertidumbre de Heisenberg . La medición débil seguida de una post-selección no permitió mediciones simultáneas de posición y momento para cada partícula individual, sino que permitió medir la trayectoria promedio de las partículas que llegaron a diferentes posiciones. En otras palabras, los experimentadores estaban creando un mapa estadístico del panorama completo de la trayectoria. [56]

Otras variaciones

Un conjunto de laboratorio de doble rendija; La distancia entre los postes superiores es de aproximadamente 2,5 cm (una pulgada).
Patrones de distribución de intensidad de campo cercano para rendijas plasmónicas con anchos iguales (A) y anchos no iguales (B).

En 1967, Pfleegor y Mandel demostraron la interferencia de dos fuentes utilizando dos láseres separados como fuentes de luz. [57] [58]

En 1972 se demostró experimentalmente que en un sistema de doble rendija en el que sólo había una rendija abierta en cualquier momento, se observaba interferencia siempre que la diferencia de trayectoria fuera tal que el fotón detectado pudiera haber venido de cualquiera de las rendijas. [59] [60] Las condiciones experimentales eran tales que la densidad de fotones en el sistema era mucho menor que la unidad.

En 1991, Carnal y Mlynek realizaron el clásico experimento de la doble rendija de Young con átomos de helio metaestables que pasaban a través de rendijas de escala micrométrica en una lámina de oro. [61] [62]

En 1999, se realizó con éxito un experimento de interferencia cuántica (utilizando una rejilla de difracción, en lugar de dos rendijas) con moléculas de buckybola (cada una de las cuales comprende 60 átomos de carbono). [38] [63] Una buckybola es lo suficientemente grande (diámetro de aproximadamente 0,7  nm , casi medio millón de veces más grande que un protón) para poder verse en un microscopio electrónico .

En 2002, se utilizó una fuente de emisión de campo de electrones para demostrar el experimento de la doble rendija. En este experimento, se emitió una onda de electrones coherente desde dos sitios de emisión ubicados muy cerca en el ápice de la aguja, que actuaron como rendijas dobles, dividiendo la onda en dos ondas de electrones coherentes en el vacío. De este modo se pudo observar el patrón de interferencia entre las dos ondas de electrones. [64] En 2017, los investigadores realizaron el experimento de doble rendija utilizando emisores de electrones de campo inducidos por luz. Con esta técnica, los sitios de emisión se pueden seleccionar ópticamente en una escala de diez nanómetros. Al desactivar (cerrar) selectivamente una de las dos emisiones (rendijas), los investigadores pudieron demostrar que el patrón de interferencia desaparecía. [sesenta y cinco]

En 2005, ER Eliel presentó un estudio experimental y teórico de la transmisión óptica de una delgada pantalla metálica perforada por dos rendijas de sublongitud de onda, separadas por muchas longitudes de onda óptica. Se muestra que la intensidad total del patrón de doble rendija de campo lejano se reduce o aumenta en función de la longitud de onda del haz de luz incidente. [66]

En 2012, investigadores de la Universidad de Nebraska-Lincoln realizaron el experimento de la doble rendija con electrones descrito por Richard Feynman , utilizando nuevos instrumentos que permitieron controlar la transmisión de las dos rendijas y monitorear los eventos de detección de un solo electrón. Los electrones fueron disparados por un cañón de electrones y pasaron a través de una o dos rendijas de 62 nm de ancho x 4 μm de alto. [67]

En 2013, se realizó con éxito un experimento de interferencia cuántica (utilizando rejillas de difracción, en lugar de dos rendijas) con moléculas que comprendían cada una 810 átomos (cuya masa total superaba las 10.000 unidades de masa atómica ). [4] [5] El récord se elevó a 2000 átomos (25 000 uma) en 2019. [19]

Análogos de ondas piloto hidrodinámicas.

Se han desarrollado análogos hidrodinámicos que pueden recrear varios aspectos de los sistemas mecánicos cuánticos, incluida la interferencia de una sola partícula a través de una doble rendija. [68] Una gota de aceite de silicona, que rebota a lo largo de la superficie de un líquido, se autopropulsa a través de interacciones resonantes con su propio campo de ondas. La gota salpica suavemente el líquido con cada rebote. Al mismo tiempo, las ondas de rebotes pasados ​​afectan su curso. La interacción de la gota con sus propias ondas, que forman lo que se conoce como onda piloto , hace que exhiba comportamientos que antes se pensaba que eran peculiares de las partículas elementales, incluidos comportamientos habitualmente tomados como evidencia de que las partículas elementales se propagan a través del espacio como ondas, sin ningún tipo de ondas. ubicación específica, hasta que sean medidos. [69] [70]

Los comportamientos imitados a través de este sistema hidrodinámico de ondas piloto incluyen difracción cuántica de partículas individuales, [71] túneles, órbitas cuantificadas, división de niveles orbitales, espín y estadísticas multimodales. También es posible inferir relaciones de incertidumbre y principios de exclusión. Hay vídeos disponibles que ilustran varias características de este sistema. (Consulte los enlaces externos).

Sin embargo, los sistemas más complicados que involucran dos o más partículas en superposición no son susceptibles de una explicación tan simple y clásicamente intuitiva. [72] En consecuencia, no se ha desarrollado ningún análogo hidrodinámico del entrelazamiento. [68] Sin embargo, los análogos ópticos son posibles. [73]

Experimento de doble rendija a tiempo

En 2023, se informó sobre un experimento que recreaba un patrón de interferencia en el tiempo al hacer brillar un pulso láser de bomba en una pantalla recubierta de óxido de indio y estaño (ITO) que alteraría las propiedades de los electrones dentro del material debido al efecto Kerr , cambiándolo de transparente a reflectante durante aproximadamente 200 femtosegundos de duración, donde un rayo láser de sonda posterior que impacta la pantalla ITO vería este cambio temporal en las propiedades ópticas como una rendija en el tiempo y dos de ellas como una rendija doble con una diferencia de fase que se suma de manera destructiva o constructiva. cada componente de frecuencia da como resultado un patrón de interferencia. [74] [75] [76] Clásicamente se han obtenido resultados similares en ondas de agua. [74] [76]

Formulación clásica de óptica de ondas.

Patrón de difracción de dos rendijas con una onda plana incidente.
Foto de la interferencia de la luz solar por doble rendija.
Dos rendijas están iluminadas por una onda plana, lo que muestra la diferencia de trayectoria.

Gran parte del comportamiento de la luz se puede modelar utilizando la teoría ondulatoria clásica. El principio de Huygens-Fresnel es uno de esos modelos; afirma que cada punto de un frente de onda genera una onda secundaria y que la perturbación en cualquier punto posterior se puede encontrar sumando las contribuciones de las ondas individuales en ese punto. Esta suma debe tener en cuenta la fase y la amplitud de las ondas individuales. Sólo se puede medir la intensidad de un campo luminoso; ésta es proporcional al cuadrado de la amplitud.

En el experimento de la doble rendija, las dos rendijas se iluminan con la luz casi monocromática de un único láser. Si el ancho de las rendijas es lo suficientemente pequeño (mucho menor que la longitud de onda de la luz láser), las rendijas difractan la luz en ondas cilíndricas. Estos dos frentes de onda cilíndricos están superpuestos, y la amplitud, y por tanto la intensidad, en cualquier punto de los frentes de onda combinados depende tanto de la magnitud como de la fase de los dos frentes de onda. La diferencia de fase entre las dos ondas está determinada por la diferencia en la distancia recorrida por las dos ondas.

Si la distancia de visión es grande en comparación con la separación de las rendijas (el campo lejano ), la diferencia de fase se puede encontrar usando la geometría que se muestra en la figura siguiente a la derecha. La diferencia de trayectoria entre dos ondas que viajan con un ángulo θ viene dada por:

Donde d es la distancia entre las dos rendijas. Cuando las dos ondas están en fase, es decir, la diferencia de trayectoria es igual a un número entero de longitudes de onda, la amplitud sumada, y por lo tanto la intensidad sumada, es máxima, y ​​cuando están en antifase, es decir, la diferencia de trayectoria es igual a la mitad. una longitud de onda, una longitud de onda y media, etc., entonces las dos ondas se cancelan y la intensidad sumada es cero. Este efecto se conoce como interferencia . Los máximos de la franja de interferencia se producen en ángulos

donde λ es la longitud de onda de la luz. El espaciado angular de las franjas, θ f , está dado por

El espaciado de las franjas a una distancia z de las rendijas está dado por

Por ejemplo, si dos rendijas están separadas por 0,5 mm ( d ) y se iluminan con un láser de longitud de onda de 0,6 μm ( λ ), entonces a una distancia de 1 m ( z ), el espaciado de las franjas será de 1,2 mm.

Si el ancho de las rendijas b es apreciable en comparación con la longitud de onda, se necesita la ecuación de difracción de Fraunhofer para determinar la intensidad de la luz difractada de la siguiente manera: [77]

donde la función sinc se define como sinc( x ) = sin( x )/ x para x ≠ 0, y sinc(0) = 1.

Esto se ilustra en la figura anterior, donde el primer patrón es el patrón de difracción de una sola rendija, dado por la función sinc en esta ecuación, y la segunda figura muestra la intensidad combinada de la luz difractada por las dos rendijas, donde el cos La función representa la estructura fina y la estructura más gruesa representa la difracción por las rendijas individuales como se describe en la función sinc .

Se pueden hacer cálculos similares para el campo cercano aplicando la ecuación de difracción de Fresnel , que implica que a medida que el plano de observación se acerca al plano en el que se encuentran las rendijas, los patrones de difracción asociados con cada rendija disminuyen de tamaño, de modo que la El área en la que se produce la interferencia se reduce y puede desaparecer por completo cuando no hay superposición en los dos patrones difractados. [78]

Formulación integral de caminos

Uno de un número infinito de caminos igualmente probables utilizados en la integral de caminos de Feynman (ver también: proceso de Wiener )

El experimento de la doble rendija puede ilustrar la formulación integral de trayectoria de la mecánica cuántica proporcionada por Feynman. [79] La formulación de integral de trayectoria reemplaza la noción clásica de una trayectoria única y única para un sistema, con una suma de todas las trayectorias posibles. Las trayectorias se suman mediante el uso de integración funcional .

Cada camino se considera igualmente probable y, por lo tanto, contribuye con la misma cantidad. Sin embargo, la fase de esta contribución en cualquier punto dado del camino está determinada por la acción a lo largo del camino:

Luego se suman todas estas contribuciones y la magnitud del resultado final se eleva al cuadrado para obtener la distribución de probabilidad de la posición de una partícula:

Como siempre ocurre al calcular la probabilidad , los resultados deben luego normalizarse imponiendo :

La distribución de probabilidad del resultado es el cuadrado normalizado de la norma de superposición , sobre todos los caminos desde el punto de origen hasta el punto final, de ondas que se propagan proporcionalmente a la acción a lo largo de cada camino. Las diferencias en la acción acumulativa a lo largo de los diferentes caminos (y por tanto las fases relativas de las contribuciones) producen el patrón de interferencia observado en el experimento de la doble rendija. Feynman destacó que su formulación es meramente una descripción matemática, no un intento de describir un proceso real que podamos medir.

Interpretaciones del experimento.

Al igual que el experimento mental del gato de Schrödinger , el experimento de la doble rendija se utiliza a menudo para resaltar las diferencias y similitudes entre las diversas interpretaciones de la mecánica cuántica .

Interpretación de Copenhague

La interpretación de Copenhague es una colección de puntos de vista sobre el significado de la mecánica cuántica , derivados del trabajo de Niels Bohr , Werner Heisenberg , Max Born y otros. El término "interpretación de Copenhague" aparentemente fue acuñado por Heisenberg durante la década de 1950 para referirse a las ideas desarrolladas en el período 1925-1927, pasando por alto sus desacuerdos con Bohr. [80] [81] [82] [83] En consecuencia, no existe una declaración histórica definitiva de lo que implica la interpretación. Las características comunes entre las versiones de la interpretación de Copenhague incluyen la idea de que la mecánica cuántica es intrínsecamente indeterminista , con probabilidades calculadas utilizando la regla de Born , y el principio de complementariedad , que establece que los objetos tienen ciertos pares de propiedades complementarias que no pueden observarse o medirse todas simultáneamente. . [84] Además, el acto de "observar" o "medir" un objeto es irreversible, y no se puede atribuir ninguna verdad a un objeto, excepto según los resultados de su medición . Un experimento particular puede demostrar el comportamiento de una partícula (que pasa a través de una rendija definida) o un comportamiento de onda (interferencia), pero no ambos al mismo tiempo. [85] [86] : 167  [87] Las interpretaciones tipo Copenhague sostienen que las descripciones cuánticas son objetivas, en el sentido de que son independientes de las creencias personales de los físicos y otros factores mentales arbitrarios. [86] : 85–90 

Los resultados del experimento más básico de doble rendija, la observación de un patrón de interferencia, se explica por la interferencia de ondas de los dos caminos hacia la pantalla desde cada una de las dos rendijas. [9] Los resultados de una sola partícula muestran que las ondas son amplitudes de probabilidad que se cuadran para producir una distribución de probabilidad. [9] Las partículas son discretas e idénticas; Se necesitan muchos para construir el patrón de interferencia completo. [9] Los resultados de algunos de los experimentos en qué dirección se describen como observaciones de complementariedad: [88] modificar el experimento para monitorear la rendija suprime el patrón de interferencia. [89] : 155  Otros experimentos en qué dirección no mencionan la complementariedad en su análisis. [90]

Interpretación relacional

Según la interpretación relacional de la mecánica cuántica , propuesta por primera vez por Carlo Rovelli , [91] observaciones como las del experimento de la doble rendija resultan específicamente de la interacción entre el observador (dispositivo de medición) y el objeto observado (con el que interactúa físicamente). , no cualquier propiedad absoluta que posea el objeto. En el caso de un electrón, si inicialmente se "observa" en una rendija particular, entonces la interacción observador-partícula (fotón-electrón) incluye información sobre la posición del electrón. Esto limita parcialmente la ubicación final de la partícula en la pantalla. Si se "observa" (se mide con un fotón) no en una rendija particular sino en la pantalla, entonces no hay información de "qué camino" como parte de la interacción, por lo que se determina la posición "observada" del electrón en la pantalla. estrictamente por su función de probabilidad. Esto hace que el patrón resultante en la pantalla sea el mismo que si cada electrón individual hubiera pasado por ambas rendijas. [ cita necesaria ]

Interpretación de muchos mundos

Al igual que en Copenhague, existen múltiples variantes de la interpretación de los muchos mundos . El tema unificador es que la realidad física se identifica con una función de onda, y esta función de onda siempre evoluciona unitariamente, es decir, siguiendo la ecuación de Schrödinger sin colapsos. [92] [93] En consecuencia, hay muchos universos paralelos, que sólo interactúan entre sí a través de interferencia. David Deutsch sostiene que la forma de entender el experimento de la doble rendija es que en cada universo la partícula viaja a través de una rendija específica, pero su movimiento se ve afectado por la interferencia con partículas de otros universos. Esto crea las franjas observables. [94] David Wallace, otro defensor de la interpretación de los muchos mundos, escribe que en la configuración familiar del experimento de la doble rendija los dos caminos no están lo suficientemente separados como para que una descripción en términos de universos paralelos tenga sentido. [95]

Teoría de De Broglie-Bohm

Una alternativa a la comprensión estándar de la mecánica cuántica, la teoría de De Broglie-Bohm afirma que las partículas también tienen ubicaciones precisas en todo momento y que sus velocidades están definidas por la función de onda. Entonces, mientras que una sola partícula viajará a través de una rendija particular en el experimento de la doble rendija, la llamada "onda piloto" que influye en ella viajará a través de ambas. Las dos trayectorias de rendija de Broglie-Bohm fueron calculadas por primera vez por Chris Dewdney mientras trabajaba con Chris Philippidis y Basil Hiley en Birkbeck College (Londres). [96] La teoría de De Broglie-Bohm produce los mismos resultados estadísticos que la mecánica cuántica estándar, pero prescinde de muchas de sus dificultades conceptuales añadiendo complejidad a través de un potencial cuántico ad hoc para guiar las partículas. [97]

Si bien el modelo es similar en muchos aspectos a la ecuación de Schrödinger , se sabe que falla en casos relativistas [98] y no tiene en cuenta características como la creación o aniquilación de partículas en la teoría cuántica de campos . Muchos autores como los premios Nobel Werner Heisenberg , [99] Sir Anthony James Leggett [100] y Sir Roger Penrose [101] lo han criticado por no añadir nada nuevo.

Han aparecido variantes más complejas de este tipo de enfoque, por ejemplo, la hipótesis de las tres ondas [102] [103] de Ryszard Horodecki , así como otras combinaciones complicadas de las ondas de De Broglie y Compton. [104] [105] [106] Hasta la fecha no hay evidencia de que sean útiles.

trayectorias bohmianas

Ver también

Referencias

  1. ^ Joven, Thomas (1804). "La conferencia panadero. Experimentos y cálculos relativos a la óptica física". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 94 : 1–16. doi : 10.1098/rstl.1804.0001 . S2CID  110408369.
  2. ^ Navarro, Jaume (2010). "Difracción de electrones chez Thomson: primeras respuestas a la física cuántica en Gran Bretaña". La Revista Británica de Historia de la Ciencia . 43 (2): 245–275. doi :10.1017/S0007087410000026. ISSN  0007-0874. S2CID  171025814.
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Otras lecturas

enlaces externos

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