Thomas Young y la primera doble rendija de la física /3

Podemos encontrar el origen de los problemas que dieron inicio a la mecánica cuántica en una fecha tan lejana como 1801, cuando Thomas Young demostró la naturaleza ondulatoria de la luz mediante el experimento de la doble rendija.

thomas youngsir-thomas-young-md-frs1 — Thomas Young (1773-1829)

En época de Thomas Young existían diversas teorías acerca de la naturaleza de la luz. Era un asunto muy escurridizo, acerca del que dos de los más célebres socios de la Royal Society, Isaac Newton y Robert Hooke, habían discutido durante décadas.

Cuentan las malas lenguas que Newton esperó hasta la muerte de Hooke para publicar su teoría de la luz, para así evitar que su odiado rival conociera la respuesta a sus dudas. O tal vez lo hizo porque no quería arriesgarse a ser criticado o refutado.

Otros competidores fueron Christiaan Huygens, Leonhard Euler y el propio Johan Wolfgang Goethe con su Teoría de los colores.

Existía un motivo de controversia fundamental, más allá de los detalles y los matices: ¿la luz se comporta como una onda o como un corpúsculo?, ¿como el agua en un estanque cuando lanzamos la piedra o como la piedra misma?

Newton estaba convencido de que la luz se irradiaba de los cuerpos luminosos en forma de diminutas partículas, y así quedó establecido hasta comienzos del siglo XIX.

Sin embargo, había algunas anomalías que la teoría de Newton no podía explicar, como los efectos de difracción de la luz en los bordes o en rendijas estrechas, los colores que aparecen en películas finísimas, por ejemplo, en una superficie aceitosa o en las alas de los insectos. Y también que cuando dos haces de luz se encuentran no se produce un choque real entre ambos; es decir, no sucede lo que vemos cuando Luke Skywalker y Darth Vader hacen chocar sus espadas láser. Es decir, que las partículas de cada haz se atraviesan una a otra sin dificultad.

Sin embargo, la teoría corpuscular de Newton tenía seguidores de tanto renombre como Pierre-Simon de Laplace.

A finales del siglo XVIII, Thomas Young estudió el comportamiento de algo que todos estaban de acuerdo en considerar una onda, el sonido. Es muy fácil observar el comportamiento ondulatorio del sonido, por ejemplo si hacemos vibrar una plancha de metal cubierta de una fina capa de arena con diversas frecuencias de sonido, veremos cómo se forman ondas muy similares a las de la piedra arrojada al agua de un lago.

Puedes ver el vídeo completo, bastante increíble, en Resonance with tones!

En 1799, Young propuso que la luz era también una onda en movimiento, como el sonido, pero esperó hasta el nuevo siglo para demostrarlo.

En opinión de Young todos los problemas de la luz entendida como partícula se solucionaban si consideramos que es una onda. Así, por ejemplo, cuando dos haces luminosos se encuentran, lo que se produce no es un choque sino una interferencia entre ambos, que explica que se atraviesen y formen, por ejemplo, nuevos colores en su confluencia.

Young explicó el fenómeno de interferencia en las ondas formadas en el agua: su apariencia se debía a la coincidencia o no de los valles y las crestas de las diferentes ondas al encontrarse.

Cuando dos valles o dos crestas se encuentran, se refuerzan, mientras que cuando se encuentran una cresta y un valle la onda se cancela.

Por eso, si alejamos la pared en la que impactarán las ondas, nos encontraremos con columnas o zonas brillantes (donde el impacto se ha producido) y espacios oscuros entre ellas, es decir en los lugares en los que no se ha producido el impacto de una onda, por haberse anulado una a otra al coincidir una cresta y un valle.

Boceto de Thomas Young que muestra los fenómenos de difracción del agua al pasar por dos agujeros (A y B). Como se puede observar las dos ondas coinciden (dos valles o dos crestas) o no (valle y cresta), formando un dibujo característico. Finalmente, las ondas, o el resultado de ese encuentro impactan en puntos como los señalados en C, D, E y F) y dejan un espacio vacío (no impacto) entre ellos.

Finalmente, en 1801 presentó en la Royal Society su investigación “Sobre la Teoría de la Luz y los Colores”. Dos años después comunicó los resultados del experimento de la doble rendija, que demostraban el carácter ondulatorio de la luz.

Experimento de la doble rendija, o de interferencia o del interferómetro de Young, que muestra que la luz al penetrar por una doble rendija e impactar en una pared capaz de registar ese impacto, produce un dibujo de impactos o patrón de interferencia idéntico al que produciría cualquier otra onda. En consecuencia, dice Young, la luz se comporta como una onda, no como una partícula.

Conviene ser etremadamente didáctico en este punto. A mí me costó extender esto de que las ondas se cancelan si no coinciden crestas y valles y que se refuerzan cuando coinciden. Y también ese asunto de que hay zonas en las que el impacto o la luz es más brillante es más fuerte y otras en el que es menos fuerte o ni siquiiera golpea. Como estos asuntos serán fundamentales cuando examinemos el problema de la dualidad onda-corpúsculo en la física cuántica, conviene entenderlo de manera precisa.

Creo que la mejor manera de entender lo de la cancelanción y reforzamiento es el ejemplo que ofrece Mithuna Yoganathan, al creadora de Looking Glass Universe. Este es un fragmento de su videoensayo “He hecho el experimento de la doble rendija en casa”, muy recomendable.

Los derechos de este vídeo pertenecen a Mithuna Yoganathan: I did the double slit experiment at home. Animación creada por: Kathy Sarpi: https://kathysarpi.com/

Este ídeo nos permite entender por qué cuando dos olas coinciden en sus cretas se refuerzan o bien se produce luz, mientras que si coinciden los valles entonces hay oscuridad. Pero también debemos entender por qué el impacto de la luz no es igual de fuerte en todos los puntos de la pared en que chocan las ondas que se refuerzan al coincidir las crestas. Para entenderlo, podemos ver este estupenda y calrísima explicaciónde Khan Academy

Introducción al experimento de la doble rendija de Young (Khan Academy)

La historia de cómo la teoría de Young fue rechazada por los newtonianos pero acabó siendo aceptada tras los intentos de Simeón Denis Poisson de refutar las teorías de Fresnel (el gran defensor de Young) es fascinante, pero quizá me desviaría demasiado del asunto.

Por ahora nos conformamos con señalar que la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz acabó por ser aceptada y se consideró que Newton, al menos en este asunto, se había equivocado: el experimento de la doble rendija era elocuente y probaba que la luz no se comportaba como un corpúsculo.

De este modo se puso fin a la polémica entre los partidarios de la naturaleza ondulatoria de la luz y los que la consideraban corpuscular, o al menos eso se pensó hasta comienzos del siglo XX.

Por otra parte, en el estudio de la materia se fue imponiendo la teoría atomista.

En 1897, el modelo del átomo de J.J. Thomson era concebido “como una esfera llena de una sustancia eléctricamente positiva y llena de electrones negativos”¹.

El átomo de Thomson o el famoso pudin de pasas (El cedazo: Modelo atómico de Thomson)

La consecuencia de esas dos divergencias en la física fue que a principios del siglo XX:

“La comprensión del mundo natural requería una filosofía dual: los objetos materiales habían de ser descritos en términos de partículas o átomos, pero la radiación electromagnética, incluida la luz, debía entenderse en términos de ondas”².

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Citas de este capítulo

Gribbin, John
En busca del gato de Schrödinger. Barcelona, 1986. 1ª edición: 1984

Klein, Étienne
Las párticulas elementales. Madrid, 1994. 1ª edición: París, 1993.