Reducen hasta el nivel cuántico el experimento de la doble rendija

El famoso experimento de la doble rendija fue realizado por primera vez en 1801, por el científico británico Thomas Young, para demostrar cómo la luz se comporta como una onda. Hoy en día, con la formulación de la mecánica cuántica, el experimento de la doble rendija es conocido por su sorprendentemente simple demostración de una realidad desconcertante: que la luz existe como partícula y como onda. Más extraño aún, esta dualidad no puede observarse simultáneamente. Ver la luz en forma de partículas oscurece instantáneamente su naturaleza ondulatoria, y viceversa.

El experimento original consistía en proyectar un haz de luz a través de dos rendijas paralelas en una pantalla y observar el patrón que se formaba en una segunda pantalla, más alejada. Cabría esperar ver dos puntos de luz, lo que implicaría que la luz existe como partículas, las conocidas como fotones que se limitan a seguir una trayectoria directa. Pero, en cambio, la luz produce franjas brillantes y oscuras alternadas en la pantalla, en un patrón de interferencia similar al que ocurre cuando dos ondas de agua en un estanque se encuentran. Esto sugiere que la luz se comporta como una onda. Aún más extraño, al intentar medir por qué rendija viaja la luz, esta se comporta repentinamente como partículas y el patrón de interferencia desaparece.

El experimento de la doble rendija se enseña hoy en día en la mayoría de las clases de física de secundaria como una forma sencilla de ilustrar el principio fundamental de la mecánica cuántica: que todos los objetos físicos, incluida la luz, son simultáneamente partículas y ondas.

Desde aquel primer experimento, se han llevado a cabo múltiples versiones del mismo, y todas ellas han confirmado, en diversos grados, que la detección de la trayectoria del fotón elimina el patrón de interferencia, siguiendo el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.

Ahora, unos físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, encabezados por Vitaly Fedoseev, han realizado la versión más "idealizada" del experimento de la doble rendija de todas las ejecutadas hasta la fecha. Su versión simplifica el experimento hasta reducirlo a sus fundamentos cuánticos. Utilizaron átomos individuales como rendijas y rayos de luz tenues para que cada átomo dispersara como máximo un fotón. Al preparar los átomos en diferentes estados cuánticos, Fedoseev y sus colegas lograron modificar la información que los átomos obtenían sobre la trayectoria de los fotones. De este modo, los investigadores confirmaron las predicciones de la teoría cuántica: cuanta más información se obtenía sobre la trayectoria (es decir, la naturaleza de la partícula) de la luz, menor era la visibilidad del patrón de interferencia.

Esquema del experimento realizado en el MIT. Dos átomos individuales que flotan en una cámara de vacío son iluminados por un rayo láser y actúan como las dos rendijas. La interferencia de la luz dispersa se registra con una cámara de alta sensibilidad, representada como una pantalla. La luz incoherente aparece como fondo, lo que implica que el fotón ha actuado como una partícula que pasa solo por una rendija. (Imagen: autores del estudio. CC BY-NC-ND 3.0)

Fedoseev y sus colegas exponen los detalles técnicos de su experimento en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título “Coherent and incoherent light scattering by single-atom wavepackets”. (Fuente: NCYT de Amazings)