Avances en la física cuántica

Un experimento revolucionario vuelve a demostrar que la luz existe como onda y partícula en el mundo cuántico.

  • ✅ Un experimento del MIT confirma la dualidad onda-partícula de la luz.
  • ✅ La luz no puede observarse simultáneamente como onda y partícula.
  • ✅ Einstein cuestionaba la teoría cuántica, pero nuevos hallazgos respaldan la complementariedad de Bohr.

Representación del Experimento de la doble rendija con electrones, mostrando la densidad de impactos en la pantalla de detección (30 de noviembre de 2001).

Fuente: Alexandre Gondran · Licencia: Creative Commons Atribución-Compartir Igual 4.0 · Uso editorial

Se sabe que a Albert Einstein no le gustaba la afirmación de la teoría cuántica de que los objetos físicos, incluyendo la luz, existen tanto como partícula como en forma de onda, y que esa dualidad no puede observarse simultáneamente. Sin embargo, una nueva y simple iteración de un fundamental experimento cuántico ofrece la evidencia directa más concluyente de que quizá Einstein se haya equivocado.

En un trabajo reciente para Physical Review Letters, científicos del MIT lograron replicar el experimento de la doble rendija a escala atómica, lo que dio lugar a un nivel sin precedentes de precisión empírica. Utilizando átomos superenfriados como “rendijas” para que la luz los atravesara, el equipo confirmó que la dualidad onda-partícula de la luz – con todas sus paradojales propiedades – se sostiene incluso en las escalas cuánticas más fundamentales.

El experimento de la doble rendija

El primero en llevar a cabo el experimento de la doble rendija fue el físico británico Thomas Young, en 1801. Su experimento ilustra la naturaleza dual de la luz en el mundo cuántico. Cuando apuntas un rayo de luz a través de dos rendijas paralelas en una pantalla – las partículas de luz siguen un camino directo – lo que aparece del otro lado es un patrón de interferencia que se parece a la unión de dos ondas en un charco, como una “ola”. Pero si intentas captar en acción esta misteriosa transición espiando dentro de la rendija, no podrás ver el patrón de interferencia.

La discusión entre Einstein y Bohr

Niels Bohr, el mayor oponente de Einstein en este debate, se refirió a este resultado como complementariedad, la idea de que es imposible medir simultáneamente las propiedades complementarias de un sistema cuántico. Einstein, en cambio, afirmaba que si se iluminaba una rendija delgada como un papel sostenida por un resorte, los fotones individuales harían templar el resorte a manera de partículas. Así, sí podríamos captar la dualidad de la luz en acción.

Para poner a prueba esta hipótesis el equipo del MIT despejó el experimento hasta la escala de átomos individuales que enfriaron a temperaturas microkelvin (para contexto, un kelvin equivale a -272 °C). Usaron láseres para ordenar más de 10.000 átomos en una configuración bien prolija. Este entorno altamente controlado permitió que los investigadores ajustaran la difuminación de cada átomo, o la certeza de su ubicación. Un átomo difuminado aumenta la probabilidad de que el fotón que pase muestre conducta de partícula.

Resultados y conclusiones

“Estos átomos son como las rendijas más pequeñas posibles que pudieras formar”, le explicó Wolfgang Ketterle, principal autor del trabajo, a MIT News. Al bombardear repetidas veces las “rendijas” atómicas con fotones, Ketterle, que ganó el premio Nobel en 2001, pudo con su equipo registrar el patrón de difracción de los fotones que se dispersaban al pasar por las rendijas atómicas.

Encontraron lo esperado: Bohr tenía razón. Cuanto más se enfocaban en el camino de cada fotón, tanto menor era el patrón de difracción, lo que confirmó que no podemos ver la luz como onda y partícula simultáneamente. También intentaron cerrar los láseres sosteniendo los átomos en su lugar – lo que sería “el resorte” de su experimento. Incluso así resultaba imposible seguir el camino del fotón sin causar disrupción en el patrón de interferencia con forma de onda.

“En muchas descripciones el resorte tiene un rol importante. Pero nosotros demostramos que no, que no importan los resortes. Lo que importa es solamente la difuminación de los átomos”, le explicó también a MIT News Vitaly Fedoseev. “Por eso, hay que usar una descripción más profunda [como la complementariedad de Bohr] que use correlaciones cuánticas entre los fotones y los átomos”.

A veces se acusa a Einstein de detestar la física cuántica. No es necesariamente cierto. Einstein creía que hacía falta trabajar más en la teoría cuántica, en especial en términos de su dependencia aumentada en el azar, pero nunca rechazó por completo su validez. En una famosa carta que le escribió al físico Max Bohr, dijo que la mecánica cuántica es “por cierto imponente” pero su instinto es que “todavía no es lo real…[Dios] no juega a los dados”.

Einstein tenía muchas preguntas sobre la mecánica cuántica, y muchas todavía no se han respondido. Como en el debate entre Einstein y Bohr, y en el nuevo hallazgo del MIT, sus desafíos rigurosos y provocativos ante lo que los físicos dan por sentado siguen ayudando a mejorar nuestro entendimiento del extraño y paradójico mundo de la mecánica cuántica.

Este experimento no solo reafirma la teoría cuántica, sino que también abre nuevas puertas para explorar los misterios del universo a escala atómica. La dualidad onda-partícula sigue siendo un campo fascinante y lleno de preguntas por resolver.