Experiment de la doble rendija
En la física moderna, el experiment de la doble rendija és una demostració de que la llum i la matèria poden mostrar característiques tant d'ones com de partícules definides clásicamente; ademés, mostra la naturalea fonamentalment provabilística dels fenomens de la mecànica quàntica. Este tipo d'experiment va ser realisat per primera volta, utilisant llum, per Thomas Young en 1801,[1] com a demostració del comportament ondulatorio de la llum.[2][3] En aquella época es pensava que la llum consistia en ones o en partícules. En l'inici de la física moderna, uns cent anys més vesprada, es va comprendre que la llum podia, de fet, mostrar un comportament característic tant de les ones com de les partícules. En 1927, Davisson i Germer varen demostrar que els electrons mostren el mateix comportament, lo que es va estendre posteriorment als àtoms i les molècules.[4][5] L'experiment de Thomas Young en la llum formava part de la física clàssica molt abans del desenroll de la mecànica quàntica i del concepte de dualitat ona-partícula. Ell creïa que demostrava que la teoria ondulatoria de la llum era correcta, i el seu experiment es coneix a voltes com l'experimente de Young o les rendijas de Young.[6]
L'experiment forma part a una classe general d'experiments de "doble trayectòria", en els que una ona es dividix en dos ones separades (l'ona sol estar formada per molts fotons i és millor denominar-la front d'ona (no confondre-la en les propietats ondulatorias del fotó individual) que posteriorment es combinen en una sola ona. Els canvis en les llongituts de trayectòria d'abdós ones donen lloc a un desplaçament de fase, creant un patró d'interferència. Una atra versió és l'interferómetro Mach-Zehnder, que dividix el fes en un divisor de fes.
En la versió bàsica d'este experiment, una font de llum coherent, com un raer làser, allumena una placa perforada per dos rendijas paraleles, i la llum que passa per les rendijas s'observa en una pantalla darrere de la placa.[7][8] La naturalea ondulatoria de la llum fa que les ones lluminoses que passen per les dos rendijas interferixquen, produint bandes lluentes i obscures en la pantalla, un resultat que no s'esperaria si la llum estiguera formada per partícules clàssiques.[7][9] No obstant, la llum sempre s'absorbix en la pantalla en punts discrets, com a partícules individuals (no ones); el patró d'interferència apareix a través de la densitat variable d'estos impactes de partícules en la pantalla. Ademés, les versions de l'experiment que inclouen detectors en les rendijas troben que cada fotó detectat pansa a través d'una rendija (com ho faria una partícula clàssica), i no a través d'abdós rendijas (com ho faria una ona).[10][11][12][13][14] No obstant, estos experiments demostren que les partícules no formen el patró d'interferència si es detecta per qué rendija passen. Estos resultats demostren el principi de la dualitat ona-partícula.[15][16]
S'ha comprovat que atres entitats a escala atòmica, com els electrons, presenten el mateix comportament quan es disparen cap a una doble rendija.[8] Ademés, s'observa que la detecció d'impactes discrets individuals és inherentemente provabilística, la qual cosa és inexplicable utilisant la mecànica clàssica.[8]
L'experiment pot realisar-se en entitats molt majors que els electrons i els fotons, encara que resulta més difícil a mida que aumenta el tamany. Les entitats més grans en les que s'ha realisat l'experiment de la doble rendija han segut molècules compostes per 2000 àtoms cada una (la massa total dels quals era de 25.000 unitats de massa atòmica).[17]
L'experiment de la doble rendija (i les seues variacions) s'ha convertit en un clàssic per la seua claritat a l'hora d'expressar els enigmes centrals de la mecànica quàntica. Degut a que demostra la llimitació fonamental de la capacitat de l'observador per a predir els resultats experimentals, Richard Feynman ho va cridar "un fenomen que és impossible [...] d'explicar de qualsevol manera clàssica, i que té en ell el cor de la mecànica quàntica. En realitat, conté l'únic misteri [de la mecànica quàntica]."[8]
Rellevància física
[editar | editar còdic]
Encara que este experiment es presenta habitualment en el context de la mecànica quàntica, va ser dissenyat molt abans de l'arribada d'esta teoria per a respondre a la pregunta de si la llum tenia una naturalea corpuscular o si, més be, consistia en ones viajant pel éter, análogamente a les ones sonores viajant en l'aire. La naturalea corpuscular de la llum està basada sobretot en les investigacions, descobriments i treballs de Newton; la naturalea ondulatoria, en els treballs clàssics d'Hooke i Huygens.
Els patrons d'interferència observats per estos científics restaven crèdit a la teoria corpuscular. La teoria ondulatoria es va mostrar molt robusta fins als començos de el XX, quan nous experiments varen escomençar a mostrar un comportament que solament podia ser explicat per una naturalea corpuscular de la llum. D'esta manera l'experiment de la doble rendija i les seues múltiples variants es varen convertir en un experiment clàssic per la seua claritat a l'hora de presentar una de les principals característiques de la mecànica quàntica.
La forma en la que es presenta normalment l'experiment no es va realisar fins a 1961 utilisant electrons i mostrant la dualitat ona-corpúscul de les partícules subatòmiques (Claus Jönsson, Zeitschrift für Physik, 161, 454; Electron diffraction at multiple slits, American Journal of Physics, 42, 4-11, 1974). En 1974 va ser possible realisar l'experiment en la seua forma més ambiciosa, electró a electró, comprovant les hipòtesis mecanocuánticas predites per Richard Feynman. Este experiment va ser realisat per un grup italià liderat per Pier Giorgio Merli i repetit de manera concloent en 1989 per un equip japonés liderat per Akira Tonomura i que treballava per a la companyia Hitachi. L'experiment de la doble rendija electró a electró s'explica a partir de l'interpretació provabilística de la trayectòria seguida per les partícules.
L'experiment
[editar | editar còdic]Formulació clàssica
[editar | editar còdic]
La formulació original de Young és molt diferent de la moderna formulació de l'experiment i utilisa una doble rendija. En l'experiment original un estret fes de llum, procedent d'un chicotet forat en l'entrada de la cambra, és dividit en dos per una targeta d'un esgambi d'uns 0,2 mm. El fes de llum tenia un esgambi llaugerament superior a l'ample de la targeta divisòria per lo que quan esta es posicionava correctament el fes era dividit en dos, cada u passant per un costat distint de la paret divisòria. El resultat pot vore's proyectat sobre una paret en una habitació enfosquida. Young va realisar l'experiment en la mateixa reunió de la Royal Society mostrant el patró d'interferències produït demostrant la naturalea ondulatoria de la llum.
Formulació moderna
[editar | editar còdic]La formulació moderna permet mostrar tant la naturalea ondulatoria de la llum com la dualitat ona-corpúscul de la matèria. En una cámara oscura es deixa entrar un fes de llum per una rendija estreta. La llum aplega a una paret intermija en dos rendijas. A l'atre costat d'esta paret hi ha una pantalla de proyecció o una placa fotogràfica. Quan una de les reixetes es cobrix apareix un únic pico corresponent a la llum que prové de la rendija oberta. No obstant, quan abdós estan obertes en lloc de formar-se una image de superposició de les obtingudes en les rendijas obertes individualment, s'obté una figura d'interferències en ralles obscures i atres lluentes.
Este patró d'interferències s'explica fàcilment a partir de l'interferència de les ones de llum, en combinar-se la llum que procedix de dos rendijas, de manera molt similar a com les ones en la superfície de l'aigua es combinen per a crear picos i regions més planes. En les llínees lluentes l'interferència és de tipo "constructiva". La major lluentor es deu a la superposició d'ones de llum coincidint en fase sobre la superfície de proyecció. En les llínees obscures l'interferència és "destructiva" en pràcticament absència de llum a conseqüència de l'arribada d'ones de llum de fase oposta (la cresta d'una ona se superpon en la vall d'una atra).[18]
Vore també
[editar | editar còdic]- Experiment d'interferència de Young
- Difracció
- Interferència
- Dinàmica fotònica en l'experiment de doble rendija
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Philosophical Transactions of the Royal Society of London.92
- 12–48.doi:10.1098/rstl.1802.0004.Consultat el 2022-08-11.
- ↑ Young, Thomas (1804). “The Bakerian lecture. El.1804.0001”.
- ↑ Casas, Alberto, 2025, p. 261.
- ↑ «Physicists Smash Record For Wave-Particle Duality» (en en). The Physics arXiv Blog. Consultat el 2022-08-03.
- ↑ Physical Chemistry Chemical Physics.15(35)
- 14696.ISSN 1463-9076.doi:10.1039/C3CP51500A.Consultat el 2022-08-03.
- ↑ Internet Archive, Andrew (2006). The last man who knew everything : Thomas Young, the anonymous polymath who proved Newton wrong, explained how we see, cured the sick, and deciphered the Rosetta stone, among other feats of genius, New York : Pi Press. ISBN 978-0-13-134304-7.
- ↑ 7,0 7,1 Lederman, Leon M. (2011). Quàntum Physics for Poets, US: Prometheus Books, pp. 102–111. ISBN 978-1616142810.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 Feynman, Richard P. (1965). The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3, Addison-Wesley, pp. 1.1–1.8. ISBN 978-0201021189.
- ↑ Feynman, 1965, p. 1.5
- ↑ Feynman, 1965, p. 1.7
- ↑ Quàntum Physics for Poets, Prometheus Books, Publishers, p. 109. ISBN 978-1-61614-281-0.
- ↑ "...if in a double-slit experiment, the detectors which register outcoming photons llaure plagau immediately behind the diaphragm with two slits: A photon is registered in one detector, not in both..." Müller-Kirsten, H. J. W. (2006). Introduction to Quàntum Mechanics: Schrödinger Equation and Path Integral, US: World Scientific, p. 14. ISBN 978-981-2566911.
- ↑ Plotnitsky, Arkady (2012). Niels Bohr and Complementarity: An Introduction, US: Springer, pp. 75–76. ISBN 978-1461445173.
- ↑ "It seems that light passes through one slit or the other in the form of photons if we set up an experiment to detect which slit the photon passes, but passes through both slits in the form of a wave if we perform an interference experiment." Raer, Alastair I.M. (2004). Quàntum Physics: Illusion Or Reality?, UK: Cambridge University Press, pp. 9–10. ISBN 978-1139455275.
- ↑ Feynman, The Feynman Lectures on Physics, 3:Quàntum Mechanics p.1-1 "There is one lucky break, however— electrons behave just like light.".
- ↑ See: Davisson–Germer experiment “The diffraction of electrons by a crystal of nickel” (1928). Bell System Technical Journal 7: 90–105. doi:.
- ↑ Yaakov Y. Fein. “Quàntum superposition of molecules beyond 25 kDa”. Nature Physics 15 (12): 1242–1245. doi:. Bibcode: 2019NatPh..15.1242F.
- ↑ Casas, Alberto, 2025, p. 259-265.
Bibliografia
[editar | editar còdic]- Richard P. Feynman, Robert B. Leighton i Matthew Sands, The Feynman Lectures on Physics, Vol III, Capítul 1. Addison Wesley (espanyol).
- Thomas Young, Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light, "Philosophical Transactions of the Royal Society of London", vol 94, 2 (1804). L'artícul pot trobar-se en Morris Shamos, ed., "Great Experiments in Physics" p96-101, Holt Reinhart and Winston, New York, 1959.
- https://és.quora.com/Per-qu%C3%A9-casi-ningú-entén-la-f%C3%ADsica-cu%C3%A1ntica/answer/Enrique-Casanovas-3
- Cases, Alberto (2025). L'ilusió del temps, Barcelona: Penguin Random House Grup Editorial. ISBN 978-84-666-8224-4.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Experimento de la doble rendija» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.