EL EXPERIMENTO DE THOMAS YOUNG

Thomas Young (1773-1829) fue un médico y físico británico cuyo experimento cambió la manera de considerar la luz. Young fue un niño prodigio que aprendió a leer con dos años y a la edad de seis había leído dos veces la Biblia y había aprendido latín. Antes de cumplir los diecinueve años dominaba trece lenguas, entre las que se contaban el griego, francés, italiano, hebreo, caldeo, sirio, samaritano, persa, etíope, árabe y turco. Estudió el cálculo de Newton y sus trabajos sobre mecánica cuántica y óptica, así como los Elementos de química de Lavoisier. También leyó obras de teatro, estudió derecho y se versó en política.

En los últimos años del siglo XVIII Young estudió medicina en Londres, Edimburgo y Gotinga, donde obtuvo su título de doctor en medicina. En 1794 fue elegido miembro de la Royal Society. Tres años más tarde se desplazó a la Universidad de Cambridge, donde recibió un segundo título de doctor en medicina y formó parte del Real Colegio de Médicos. Más tarde, cuando una tía rica le dejó en herencia una casa en Londres y una gran suma de dinero, Young se trasladó a la capital y puso allí un consultorio médico. No fue un médico de éxito, sino que más bien dedicó su energía al estudio y a la experimentación científica. Estudió la visión y nos legó la teoría de que el ojo contiene tres tipos de receptores para la luz de los tres colores básicos: rojo, azul y verde. Contribuyó a la filosofía natural, a la óptica fisiológica, y fue uno de los primeros en traducir los jeroglíficos egipcios. Su mayor contribución a la física fue su esfuerzo por conseguir que se aceptase la naturaleza ondulatoria de la luz. Young llevó a cabo el ahora famoso experimento de la doble rendija con luz, demostrando el efecto de interferencia de la teoría ondulatoria.

En su experimento, Young tenía una fuente luminosa y una barrera. Cortó dos rendijas en la barrera, a través de las cuales podía pasar la luz de la fuente. Colocó entonces una pantalla detrás de la barrera. Cuando proyectó la luz de la fuente sobre la barrera con las dos rendijas obtuvo un patrón de interferencia.

Un patrón de interferencia es la seña de identidad de las ondas. Éstas interfieren entre sí, mientras que las partículas no lo hacen. Richard Feynman consideró tan importante el resultado del experimento de la doble rendija de Young —tal como se manifiesta en el caso de electrones y otros cuantos que pueden localizarse— que dedicó gran parte del primer capítulo de su famoso libro The Feynman lectures on physics a este tipo de experimento.^[3.1] Creía que el resultado de dicho experimento constituía el misterio fundamental de la mecánica cuántica. Feynman mostró en sus lectures la idea de la interferencia de ondas frente a la no interferencia de las partículas usando proyectiles. Supóngase que un cañón lanza proyectiles al azar sobre una barrera con dos rendijas. El patrón es como muestra la figura inferior.

Las ondas de agua, al pasar a través de una barrera con dos rendijas, forman el patrón de la figura siguiente. Aquí encontramos interferencia, como en el experimento de Young con luz, porque tenemos ondas clásicas. Las amplitudes de dos ondas pueden sumarse, y producir un pico en la pantalla, o pueden interferir destructivamente, y producir una depresión.

De modo que el experimento de Young demuestra que la luz es una onda. ¿Pero es la luz realmente una onda?

La dualidad entre luz como onda y luz como corriente de partículas permanece como una importante faceta de la física del siglo XXI. La mecánica cuántica, desarrollada en los años veinte y treinta del siglo pasado, refuerza de hecho el punto de vista de que la luz es a la vez partícula y onda. El físico francés Louis de Broglie arguyó en 1924 que incluso objetos físicos como los electrones y otras partículas poseen propiedades ondulatorias. Los experimentos demostraron que tenía razón. Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico en 1905, avanzó la teoría de que la luz estaba formada por partículas, justamente como había supuesto Newton. La partícula de luz de Einstein se denomina ahora «fotón», nombre derivado de la palabra griega para designar la luz. Según la teoría cuántica, la luz puede ser a la vez partícula y onda, y esta dualidad —y aparente paradoja— es uno de los pilares de la física moderna. Misteriosamente, la luz exhibe a la vez fenómenos característicos de las ondas, como interferencia y difracción, y fenómenos típicos de las partículas, localizadas en su interacción con la materia. Dos rayos de luz interfieren de modo muy parecido al de las ondas sonoras emitidas por dos altavoces estéreo, por ejemplo. Por otra parte, la luz interactúa con la materia como sólo pueden hacerlo las partículas, como sucede en el efecto fotoeléctrico. El experimento de Young mostró que la luz es una onda. Pero también sabemos que la luz es, de alguna manera, una partícula: un fotón. En el siglo XX se repitió el experimento de Young con luz muy débil, producida fotón a fotón. De este modo, era muy improbable que se encontraran varios fotones al mismo tiempo dentro del dispositivo experimental. Sorprendentemente, apareció el mismo patrón de interferencia cuando pasó el tiempo suficiente para que los fotones, que llegaban uno a uno, se acumularan en la pantalla. ¿Con qué interfería el fotón si estaba solo en el aparato? La respuesta parecía ser: consigo mismo. En cierto sentido, el fotón pasaba a través de ambas rendijas, no de una de ellas, y, cuando aparecía en el otro lado, interfería consigo mismo.

El experimento de Young ha sido llevado a cabo con muchos entes que consideramos como partículas: electrones, desde los años cincuenta; neutrones, desde los setenta; y átomos, desde los ochenta. En todos los casos se da el mismo patrón de interferencia. Estos hallazgos demostraron la validez del principio de De Broglie, según el cual las partículas muestran también fenómenos ondulatorios. Por ejemplo, en 1989, A. Tonomura y sus colaboradores realizaron un experimento de doble rendija con electrones. Los resultados se revelan en la figura siguiente, y muestran claramente un patrón de interferencia.

Anton Zeilinger y sus colaboradores demostraron la existencia del mismo patrón para neutrones, que viajaban a sólo 2 km por segundo, en 1991. Los resultados se muestran en la siguiente figura.

El mismo patrón se mostró con átomos. Esto demuestra que la dualidad entre partículas y ondas se manifiesta incluso en entes mayores.

Anton Zeilinger y sus colegas de la Universidad de Viena, donde habían trabajado Schrödinger y Mach, dieron un paso adelante. Extendieron nuestro conocimiento de los sistemas cuánticos a entidades que ya no se asociarían necesariamente con el mundo de lo muy pequeño. (Aunque debe señalarse que los físicos conocen sistemas macroscópicos, como los superconductores, que se comportan mecánico-cuánticamente). Un fullereno es una molécula de sesenta o setenta átomos de carbono colocados en una estructura que recuerda una cúpula geodésica. Buckminster Fuller hizo famosas tales cúpulas, y dicha molécula lleva su nombre. Una molécula de sesenta átomos es un ente relativamente grande comparada con un átomo. Y no obstante, apareció el mismo misterioso patrón de interferencia cuando Zeilinger y sus colegas realizaron el experimento. El dispositivo es el siguiente:

En todos los casos vemos que las partículas se comportan como ondas. Estos experimentos también se han llevado a cabo partícula a partícula, y el patrón de interferencia ha seguido. ¿Con qué interferían estas partículas? La respuesta es que, en cierto sentido, cada partícula no pasaba a través de una rendija, sino más bien a través de ambas, y entonces la partícula «interfería consigo misma». Estamos aquí ante una manifestación del principio cuántico de superposición de estados.

El principio de superposición establece que puede componerse un nuevo estado del sistema a partir de dos o más estados del mismo, de manera tal que el nuevo estado comparte alguna de las propiedades de cada uno de los estados combinados. Si A y B otorgan dos propiedades diferentes a una partícula, tales como estar en dos sitios distintos, la superposición de estados, que se expresa como A + B, tiene algo en común con el estado A y con el estado B. En concreto, la partícula tendrá probabilidades no nulas de estar en cada uno de los dos estados, pero no en algún otro lugar, si se observa la posición de la misma.

En el caso del experimento de la doble rendija, el dispositivo experimental suministra a la partícula una clase concreta de superposición: se halla en el estado A cuando pasa a través de la rendija A y en el estado B cuando lo hace a través de la rendija B. La superposición de estados es una combinación de «la partícula pasa por la rendija A» con «la partícula pasa por la rendija B». Esta superposición de estados se expresa como A + B. Los dos caminos están combinados y hay, por lo tanto, dos probabilidades no nulas, si se observa la partícula. Dado que la partícula ha de observarse cuando atraviesa el dispositivo experimental, tendrá un 50 por 100 de probabilidad de ser observada pasando por la rendija A y un 50 por 100 por la rendija B. Pero si no se observa la partícula cuando está atravesando el dispositivo experimental, sino sólo al final, cuando llega a la pantalla, la superposición se mantiene hasta ese instante final. En cierto sentido, entonces, la partícula ha pasado por ambas rendijas, y en el momento en que llega al final del dispositivo experimental interfiere consigo misma. La superposición de estados es el mayor misterio de la mecánica cuántica. El principio de superposición encierra en sí mismo la idea de entrelazamiento.