El experimento m¨¢s bello de la f¨ªsica

Cuando Robert P. Crease, del departamento de Filosof¨ªa de la Universidad Estatal de Nueva York e historiador del Laboratorio Nacional Brookhaven de Estados Unidos, pidi¨® recientemente a los f¨ªsicos que nombraran el experimento m¨¢s bello de todos los tiempos, los 10 finalistas fueron fundamentalmente interpretaciones solistas en las que, como m¨¢ximo, hab¨ªan participado unos pocos ayudantes. La mayor¨ªa de los experimentos -enumerados en la edici¨®n de septiembre de Physics World- tuvieron lugar sobre una mesa y ninguno de ellos precis¨® m¨¢s poder de computaci¨®n que una regla de c¨¢lculo o una calculadora.

Lo que tienen en com¨²n estos experimentos es que resumen esa escurridiza cualidad que los cient¨ªficos denominan belleza. Se trata de la belleza en su sentido cl¨¢sico: la simplicidad l¨®gica del aparato, como la simplicidad l¨®gica del an¨¢lisis, parece tan inevitable y pura como las l¨ªneas de un monumento griego. Confusi¨®n y ambig¨¹edad quedan moment¨¢neamente al margen y se aclara algo nuevo sobre la naturaleza.

El experimento que ha quedado en primer lugar es uno que, curiosamente, no lleva el nombre de ning¨²n cient¨ªfico. Cuando por fin se hizo, adem¨¢s, en 1961, casi nadie se enter¨®, porque todo el mundo daba por hecho el resultado. Se trata del experimento de la interferencia (hecho por Thomas Young a principios del siglo XIX con luz), aplicado a los electrones. Una demostraci¨®n elegante y sencilla, aunque dif¨ªcil de hacer, de la naturaleza cu¨¢ntica del electr¨®n.

Empecemos por Young. Newton no siempre ten¨ªa raz¨®n. Con diversos argumentos hab¨ªa convencido a los cient¨ªficos en general de que la luz consiste exclusivamente en part¨ªculas en lugar de ondas. Hacia 1803, Young, m¨¦dico y f¨ªsico brit¨¢nico quiso comprobar esta idea. Hizo un agujero en una persiana, lo cubri¨® con un trozo grueso de papel que taladr¨® con un diminuto punz¨®n y utiliz¨® un espejo para desviar el fino haz de luz que pasaba a su trav¨¦s. Despu¨¦s cogi¨® 'un trozo de cart¨®n, aproximadamente de tres mil¨ªmetros de grosor' y lo puso de canto en el recorrido del haz, dividi¨¦ndolo en dos. El resultado fue una sombra de bandas alternativas de luz y oscuridad, fen¨®meno que s¨®lo pod¨ªa explicarse si los dos rayos se relacionaban como ondas.

Las bandas de luz aparec¨ªan donde se solapaban dos picos de onda, reforz¨¢ndose mutuamente, mientras que las bandas oscuras marcaban el lugar en que un pico se alineaba con un seno, neutraliz¨¢ndose mutuamente. La demostraci¨®n se repiti¨® luego muchas veces utilizando una tarjeta con dos agujeros para dividir el haz. Estos experimentos denominados de doble rendija se convirtieron en la norma para determinar la naturaleza ondulatoria, hecho que se volver¨ªa especialmente importante un siglo despu¨¦s, cuando se inici¨® la teor¨ªa cu¨¢ntica (5? en la lista).

Sin embargo, ni Newton ni Young estaban en lo cierto respecto a la naturaleza de la luz. Aunque no est¨¢ sencillamente compuesta de part¨ªculas, tampoco puede describirse simplemente como una onda. En los primeros cinco a?os del siglo XX, Max Planck y despu¨¦s Albert Einstein demostraron, respectivamente, que la luz se emite y se absorbe en paquetes o cuantos, denominados fotones. Pero otros experimentos siguieron verificando que la luz tambi¨¦n se comporta como una onda.

Hizo falta la teor¨ªa cu¨¢ntica, desarrollada durante las d¨¦cadas siguientes, para reconciliar la forma en que las dos ideas pod¨ªan ser verdaderas: los fotones y otras part¨ªculas subat¨®micas -los electrones, los protones y dem¨¢s- presentan dos cualidades complementarias; son part¨ªculas y son ondas.

Para explicar la idea, a los dem¨¢s y a s¨ª mismos, los f¨ªsicos sol¨ªan usar un experimento imaginario en el que se repite la demostraci¨®n de la doble rendija de Young con un haz de electrones en lugar de un haz de luz. Obedeciendo las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, el flujo de part¨ªculas se divide en dos, y los flujos menores interfieren entre s¨ª dejando el mismo tipo de patr¨®n de interferencia (l¨ªneas de luz y sombra) que la luz proyectaba. Las part¨ªculas actuar¨ªan como ondas.

Seg¨²n el director de Physics World, fue en 1961 cuando se hizo de verdad el experimento. El autor fue Claus J?nsson, de la ciudad alemana de Tubinga, que lo public¨® en la revista Zeitschrift f¨¹r Physik. Luego, en 1989, el experimento fue reproducido con un solo electr¨®n y publicado en una revista de Estados Unidos. En aquel momento ya nadie se sorprendi¨® del resultado, que fue absorbido an¨®nimamente por la ciencia.