Cómo los investigadores del MIT demostraron que Einstein estaba equivocado sobre la luz

El estudio de la luz es uno de los pilares fundamentales de la Física, lo que permitió el surgimiento de los campos del Electromagnetismo, la Relatividad y la Mecánica Cuántica. Esto se debe a que la luz siempre ha intrigado a los físicos y continúa haciéndolo hoy en día. Uno de sus puntos principales es que posee el límite máximo de velocidad en el universo, y otro es su comportamiento dual. La luz puede manifestarse como onda o como partícula a través de fotones.

El famoso experimento de la doble rendija, realizado por Thomas Young a principios del siglo XIX, permitió comprender las propiedades de la luz. El experimento consistía en pasar luz a través de dos rendijas paralelas. Si la luz se comportara únicamente como una partícula, se esperaría ver dos bandas iluminadas en la pantalla. Sin embargo, Young descubrió un patrón de interferencia observado en las ondas. Incluso con fotones individuales, se observó el mismo patrón, lo que demostró que cada fotón se comporta como una onda hasta que se mide.

En julio de este año, investigadores del MIT realizaron una versión moderna del experimento de la doble rendija. Utilizaron rendijas atómicas para probar algunas propiedades de la luz e incluso hipótesis similares a las propuestas por Einstein. El grupo encontró más evidencia de que la luz realmente tiene una naturaleza dual y de que es imposible observar ambos comportamientos simultáneamente. Con esto, los investigadores desestimaron algunas de las críticas de Einstein a la naturaleza probabilística de la teoría.

Dualidad de la Luz

Cuando decimos que la luz tiene una naturaleza dual, nos referimos a que puede comportarse tanto como onda como partícula. El comportamiento observado depende del tipo de experimento realizado. Un ejemplo es el experimento de doble rendija realizado por Thomas Young, quien descubrió que la luz puede experimentar difracción, interferencia y refracción.

Casi un siglo después, el físico Albert Einstein demostró que la luz también se comporta como una partícula. Esto lo confirma el fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico, por el cual Einstein ganó el Premio Nobel. En este fenómeno, los fotones se proyectan sobre una superficie metálica y transfieren energía cuantizada a los electrones. Esta observación demuestra que la luz también tiene una naturaleza corpuscular.

Experimento de doble rendija

El experimento de la doble rendija fue realizado por primera vez por Thomas Young en 1801. La idea del experimento es relativamente simple: pasar luz a través de dos rendijas paralelas muy próximas entre sí y proyectar el resultado en una pantalla. Si la luz se comportara únicamente como partículas, cabría esperar que solo se observaran dos bandas en la pantalla. Esto significa que la luz habría pasado por una u otra rendija.

Sin embargo, Young terminó observando varias franjas claras y oscuras, un patrón de onda típico. Este resultado demostró finalmente que la luz tiene naturaleza ondulatoria. El experimento se repitió varias veces, incluyendo electrones, átomos e incluso moléculas, revelando siempre el mismo patrón de interferencia. Estos resultados confirmaron que no solo la luz, sino toda la materia, exhibe un comportamiento dual onda-partícula.

La opinión de Einstein

Sin embargo, dada la incertidumbre inherente a la mecánica cuántica, la luz solo puede observarse como partícula o como onda, nunca como ambas simultáneamente. Einstein creía que era posible observar ambas simultáneamente. Para él, la física debía describir la realidad de forma determinista y no basarse únicamente en probabilidades e incertidumbres. Creía que la mecánica cuántica era incompleta y que debían existir variables ocultas que pudieran explicarla con precisión.

Por otro lado, uno de sus amigos, el físico Niels Bohr, argumentaba que era imposible observar ondas y partículas simultáneamente. Según Bohr, un experimento solo podía revelar una de las naturalezas de la luz, y esto dependía del montaje experimental. Por ejemplo, medir la posición revelaría el aspecto de la partícula, mientras que medir la interferencia revelaría el aspecto de la onda. Para él, intentar observar ambas simultáneamente era inviable, ya que la propia medición altera el sistema cuántico.

Experimento del MIT

Investigadores del MIT realizaron una nueva versión del experimento de doble rendija utilizando más de 10.000 átomos enfriados y dispuestos en una cuadrícula. En esta configuración, cada átomo actúa como una "rendija" aislada, lo que les permite observar cómo se dispersan los fotones individuales. Al ajustar el grado de incertidumbre en las posiciones de los átomos, lograron controlar la probabilidad de que el fotón se comporte como luz o como una onda.

El experimento confirmó que no es posible observar ambos comportamientos simultáneamente, como creía Einstein. El grupo también puso a prueba la propuesta de Einstein de que sería posible detectar la trayectoria de un fotón mediante rendijas unidas a resortes, que vibrarían a su paso. Con átomos actuando como resortes, los investigadores descubrieron que cuanto más sabemos sobre la posición, más pequeño es el patrón de onda, y viceversa.

Referencia de la noticia

Famous double-slit experiment holds up when stripped to its quantum essentials