Detector de dirección desvela algunos misterios del experimento de la doble rendija

Configuración experimentalUno de los mayores misterios del experimento de la doble rendija – y de la física cuántica en general – es por qué los electrones parecen actuar de forma distinta cuando se les observa y cuando no. Estos patrones de interferencia parecen desaparecer cuando los científicos detectan a través de qué rendija viaja el electrón. Diseñando una versión modificada del experimento de la doble rendija con un nuevo detector de “dirección” de electrones en una de las dos rendijas, un equipo de científicos italianos ha encontrado una pista a por qué este comportamiento electrónico parece cambiar cuando se le observa.

En  uno de los experimentos más famosos de la física cuántica, el experimento de la doble rendija demuestra cómo de diferente es el mundo clásico respecto al cuántico. Cuando se disparan objetos macroscópicos a una barrera con dos rendijas, los objetos viajan a través de las rendijas y dejan dos líneas rectas en el muro tras la barrera. Pero cuando se usan electrones en lugar de objetos macroscópicos, no dejan dos líneas rectas, sino un patrón de interferencia de muchas líneas. Debido a que los patrones de interferencia permanecen incluso cuando se disparan electrones de uno en uno, el experimento parece sugerir que cada electrón, de alguna forma, viaja a través de ambas rendijas a la vez e interfiere consigo mismo, como una onda en lugar de como una partícula.

La segunda parte inusual del experimento de la doble rendija es que los electrones dejan de crear un patrón de interferencia cuando los científicos colocan un detector cerca de una de las rendijas para determinar a través de qué rendija(s) pasa el electrón. Bajo estas circunstancias, los electrones simplemente crean dos líneas rectas, igual que las partículas clásicas.

A través de los años, los científicos han demostrado distintas versiones del experimento de la doble rendija. En el nuevo estudio, los físicos Stefano Frabboni de la Universidad de Módena y Reggio Emilia del Instituto CNR de Nanociencia en Módena, Itania; Gian Carlo Gazzadi del Instituto CNR de Nanociencia; y Giulio Pozzi de la Universidad de Bolonia han presentado otra versión del experimento de la doble rendija usando un microscopio electrónico de transmisión.

“A lo largo de los últimos años, hemos intentado usar nuestra experiencia en la microscopía electrónica de transmisión y la preparación de especímenes de haces de iones centrados para realizar algunos experimentos básicos relacionados con algunos de los “misterios” de la mecánica cuántica, como los señalados por Feynman en sus famossas charlas y libros”, dice Frabboni a PhysOrg.com.

Primero, los científicos usaron un haz de iones centrados para hacer dos nano-rendijas en una barrera. Luego modificaron una de las rendijas cubriéndola con un filtro hecho de varias capaz de materiales de “bajo número atómico” para crear un detector de dirección para los electrones que pasen a través de la misma.

Aunque los electrones (que se dispararon de uno en uno) podrían pasar a través de la rendija filtrada, el filtro provocaba que la mayor parte de los electrones sufrieran una dispersión inelástica en lugar de elástica. Como explican los físicos, un electrón que sufre una dispersión inelástica está situado en la rendija cubierta, y actúa como una onda esférica tras pasar por la rendija. Por contra, un electrón que pasa a través de la rendija no filtrada es más probable que sufra dispersión elástica, y actúe como una onda cilíndrica tras pasar a través de la rendija. La onda esférica y la cilíndrica no tienen correlación de fase, e incluso si un electrón pasara a través de ambas rendijas, las dos ondas diferentes resultantes no pueden crear un patrón de interferencia en el muro de detrás.

Los físicos también encontraron que el grosor del filtro determinaba los efectos de la interferencia: cuanto más grueso era el filtro, mayor era la probabilidad de dispersión inelástica, y por tanto, menores efectos de interferencia. Pudieron hacer el filtro lo bastante grueso para que los efectos de la interferencia se cancelaran casi por completo.

“Cuando el electrón sufre dispersión inelástica, esto significa que su función de onda colapsa tras el acto de la medida, se propaga aproximadamente como una onda esférica desde la región de interacción, sin relación de fase con otros electrones dispersados elástica o inelásticamente”, comenta Frabboni. “El resultado experimental muestra electrones a través de las dos rendijas (por lo que se registran dos brillantes líneas en la imagen cuando se recogen los electrones dispersados elástica e inelásticamente) con efectos de interferencia despreciables en el patrón de difracción Fraunhofer de una rendija formado con electrones elásticos”.

En un estudio diferente, los físicos cubrieron ambas rendijas para ver si se creaban dos ondas esféricas en un patrón de interferencia. Encontraron que, en la intensidad inelástica más débil, no se venían bordes, mientras que se recuperaban los bordes de interferencia en una intensidad muy baja, cuando se tomaban imágenes elásticas.

En general, los resultados sugieren que el tipo de dispersión que sufre un electrón, determina la marca que deja en el muro trasero, y que un detector en una de las rendijas puede cambiar el tipo de dispersión. Los físicos concluyen que, aunque los electrones dispersados elásticamente pueden provocar un patrón de interferencia, los dispersados inelásticamente no contribuyen al proceso.


Más información: Stefano Frabboni, Gian Carlo Gazzadi, and Giulio Pozzi. “Ion and electron beam nanofabrication of the which-way double-slit experiment in a transmission electron microscope.” Applied Physics Letters 97, 263101 (2010). DOI:10.1063/1.3529947

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 21 de enero de 2011
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Comments (21)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Uno de los mayores misterios del experimento de la doble rendija – y de la física cuántica en general – es por qué los electrones parecen actuar de forma distinta cuando se les observa y cuando no. Estos patrones de interfere…..

  2. [...] This post was mentioned on Twitter by Dani EPAP, Ciencia Kanija and Blogs Culturales, ciencias.es. ciencias.es said: Detector de dirección desvela algunos misterios del experimento de la doble rendija http://bit.ly/dY2gZb [...]

  3. Hector04

    Un manjar leer este articulo, fíjense que en esta variante la dispersión elástica corresponde a la señal del detector mas como onda(con mas patrones de interferencia) y la inelastica mas como particula(con menos patrones de interferencia
    y como aclaración la elástica es aquella en donde hay interacción con el medio que en este caso es la rendija y el filtro; y por lo tanto toma parte de sus características, en cambio en la inelástica no existe tal interacción por lo cual nadie sabe que pasa ahí.
    Lo otro extraño es que mientras mas grueso el filtro de la rendija mas probabilidades de que no interaccione con sus bordes eso eso eso es descabellado…
    ¿que le ocurrirá a la carga del electrón en el proceso? ¿se conserva?
    electrones elásticos que chiste.

    • OzzyBulla

      Gracias Hector. Esta luz que arrojas sobre el artículo me encanta. De hecho, estaba un poco triste porque solo me había centrado en esta especie de pérdida de libertad de los electrones, o de negación de esa personalidad misteriosa que evidenciaba el experimento original.

    • jurl

      Y tan elásticos ;) . Los orbitales donde existen, sobre todo los moleculares que mantienen vinculados unos núcleos atómicos a otros, son los responsables últimos del comportamiento de la materia: giran, rotan, se tuercen, actúan como muelles… un orbital es, literalmente, el/los electron/es que lo ocupan. O la [función de] onda en que se deslocalizan si prefieres llamarlo así :D

  4. Ivan

    Entonces, que no aparezca el patrón de interferencia al medir por qué rendija pasa el electrón ¿es por culpa del filtro? o sea, hay una interacción física y no un hecho “mágico” que haga que el electrón se sienta observado y cambie, ¿no?

    • Hector04

      En el fondo es NO, lo correcto seria decir que es una ondicula mezcla de onda y particula, eso hay que meterlo al disco duro…
      de acuerdo a la interpretación de copenhage u otra similar el electron existe como funcion de onda una ondicula que cuando interacciona colapsa, el misterio esta en que el colapso no depende de la distancia por eso hay otra interpretacion que dice que cruza ambas rendijas.
      en el fondo es mismo experimento clasico.
      El momento mágico se conserva, Schrödinger lo llama colapso de la funcion de onda pero heisemberg tiene un equivalente y lo llamó Me niego a inventar la bomba atómica.

  5. Carlus

    No se pueden disparar electrones uno a uno. Y menos detectarlos uno a uno. Este famoso “experimento” huele a empanada mental total, como tantas otras de la mecánica cuántica. Eso si, demostraron que un Haz de electrones se comporta como una onda, pero nunca un electrón individual. Este artículo pone de manifiesto que al poner el “detector” simplemente se cargan la difracción del Haz de electrones.

    • Vamos a ver, en primer lugar SI se pueden disparar y detectar los electrones uno a uno e incluso se ha hecho con fotones también. En segundo lugar la teoría de la mc es muy clara y tiene un formalismo matemático concreto y consistente y por supuesto esta avalada por miles de experimentos de toda clase. Las “empanadas mentales” surgen cuando se intentan interpretar los resultados experimentales de la mc en base a cosas conocidas como bolitas u ondas en un estanque y si encima se añaden sensacionalismos, ignorancia científica y esoterismos varios la empanada mental es ya enorme.

      • Carlus

        Te acabas de cargar el principio de incertidumbre, si se pueden lanzar y detectar electrones e incluso fotones uno a uno, sin recurrir a la probabilidad. Que aveces electrones y fotones individuales dejen rastro no quiere decir que se puedan determinar. Y que conste que parte de la MC si me parece seria, y demostrada, pero de muchos experimentos quieren sacar mas de lo que dan, vendiendo cosmología, por esto entrecomillé la palabra experimento.

  6. Michael

    La mecánica cuántica apesta a empanada mental, como dice Carlus. Y hay por ahí algunos que han hecho de ella una religión. Es patético.

    • Me temo que la empanada mental la tienes tú en tu cabeza y bien gorda amigo. Decir que la mc es una religión revela un nivel de ignorancia científica que roza la estupidez suprema. Ni el jurado de gran hermano vamos. La mc es la teoría más importante de la física y explica de forma impresionantemente exacta como funciona el mundo.

  7. edgar

    No por que no entendamos a la MC, vamos a decir que apesta y que es una “religion”,

    el avanze de los electrones en los Chip de las PC se rijen por las MC por ejemplo.

    aqui el asunto es que la “logica” cuantica choca con la logica que nosotros conocemos, seres macrocopicos.

  8. reneco

    El artículo me dejó mas “incierto” que el principio de “incertidumbre” de Heisenberg

  9. Helena Nito

    ¿Es cierto que no se pueden detectar electrones de uno en uno? Aquí parecen sugerir que sí: http://www.amazings.com/ciencia/noticias/051107e.html

    • Carlus

      El experimento original de la doble rendija aplicado a un haz de electrones se realizó en 1927, cuando no habían ni transistores, y mucho menos nanotecnología. La nanotecnología justo empieza a despegar, y cuando avance habrá que revisar bastante de la MC. Esta noticia parece un poco bastante mucho precipitada.

  10. Respecto al artículo pienso que la explicación en términos de dispersiones elásticas o inelásticas es muy poco clara y liosa. Entiendo que lo que ellos llaman “filtro de detección de dirección” no es más que un tipo de filtro polarizador. Entonces, creo que hay que separar 2 fenómenos distintos:
    1º) Al introducir el filtro en uno de los caminos se produce un desfase entre ambas trayectorias por lo que se produce una disminución del patrón de interferencia. Si el filtro es lo “suficientemente grueso” el patrón desaparece completamente pero NO por que se haya producido el colapso de la función de onda si no por que las ondas interfieren destructivamente debido al desfase y se cancelan. Esto no tiene nada que ver con el colapso de la función de onda.
    2º) La reducción o colapso de la función de onda. Este fenómeno es mucho más sutil y extraño. El colapso se produce no solo por una medida, si no que se produce cuando existe la más mínima posibilidad de conocer (aunque no se haga) el camino seguido por la partícula (la rendija por la que pasa). Es la información la que colapsa la función de onda. De hecho un filtro polarizador adecuado (perpendicular) colocado en uno de los caminos permitiría conocer después por que rendija ha pasado el electrón por lo que el colapso de la función de onda se produce al colocar el filtro AUNQUE NO SE MIDA después la polarización de la partícula. Así de extraño es el mundo cuántico.

  11. En cierto modo me quedè oliendo donde guisan, ya que no veo respuestas concretas al problema de las rejillas, pero parece que la cosa va porque como se sabe la MC es dual: honda y partìculas y hay cosas que es imposible desbrosar hoy, a la altura del desarrollo cientìfico de hoy, faltan cosas por descubrir y una lleva a la otra.

  12. Yo la verdad no he entendido nada del articulo, no se de donde lo han sacado. Y sospecho que esta hecho precisamente para que no se entienda.
    Tampoco entiendo ni tan siquiera la conclusion que se puede sacar del experimento.
    Se a resuelto el misterio?
    Logicamente el mundo de las ondas y las particulas son antagonicos entre si, opuestos en logica. Y que electrones se comporten de un modo u otro es sigue y seguira siendo un misterio.
    Lo unico seguro es que cada particula parece comunicarse instantaneamente con la otra, sin importar el espacio y el tiempo.
    O una de dos, buscamos una nueva fisica, o damos por hecho de que hay misterios que todavia no tiene una explicacion.
    Los cientificos han optado por callar y no hablar, la ciencias fisicas hace ya años que esta en crisis.

  13. jerry pantanali

    no hay misterio,resulta que nosotros creemos que la materia es opuesta a la onda y no es asi.¿sera que la onda y el cumulo de frecuencias condensada para el ojo del observador se convierte en materia?¿y cuando no existe el observador es solo patron de onda?con este criterio puedo aceptar la existencia de dios o universo pensante creador de la matera,y un sin fin de vibraciones separados en universos multiples o planos de existencias o dimenciones.llamenlo como quieran pero si es asi la muerte en 3ra dimension no existe

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