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EL FENÓMENO OBSERVADOR I: BASE Y EXPLICACIÓN FÍSICA
El observador condiciona la realidad, solo existe cuando la miras.

Fecha: 06/10/2020

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EL MACRO NEWTONIANO SE ACOMPAÑA DEL MICRO CUÁNTICO:
Todo lo que percibimos con los sentidos en este mundo asumimos que está regido por unos principios de la física, que nos explican y ayudan a predecir el comportamiento del mundo y poder tomar decisiones en función de lo que esperamos que ocurra. Por ejemplo, si veo acercarse rápidamente un coche sin conductor y estoy en medio de su trayectoria, no esperaré que al llegar a mí me salte, sino que consideraré cierto que o me aparto o me atropella.
 

 
Hoy en día se considera que, a un nivel macroscópico (objetos habituales de nuestro día a día: una manzana, un coche, un avión…), la física clásica o newtoniana que ha estado vigente hasta ahora, sigue prevaleciendo a la hora de explicar y predecir el comportamiento del mundo. Un físico cuántico diría que es una “buena aproximación”.

Pero a pequeña escala, a nivel subatómico, la cosa cambia: se necesita aplicar los principios de la cuántica. Estas ideas de la física cuántica sobre el comportamiento de la materia a niveles microscópicos se desarrollaron a principios del siglo XX y confundieron a muchos físicos, acostumbrados al mundo determinista en el que vivían desde que Isaac Newton describiera sus leyes y otros muchos colaborasen en explicarnos cómo “funciona” el mundo.

Incluso algunos, como el famoso Albert Einstein, pasaron de favorecer su nacimiento y desarrollo a declararse abiertamente en contra de sus postulados y muy especialmente de las consecuencias que esto entrañaría a la hora de explicar algunos de los fenómenos que pretendían predecir (como que una partícula puede estar en varios sitios a la vez, antes de ser observada, con más o menos probabilidad; o, mucho más importante para Einstein, que había fenómenos físicos de interrelación entre partículas subatómicas que se “comunicaban” a velocidad aparentemente más rápida que la velocidad de la luz).

Una de las muchas dudas que surgieron fue debido a un experimento bastante conocido hoy en día: el EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA (o de YOUNG). En él se lanzaba un haz de partículas a través de una “pared” con dos rendijas verticales. Al atravesar la pared llegarían a una pantalla detectora de partículas, que indicaría donde impactó la partícula. Como es lógico, sólo las partículas que no colisionaron con la pared podían atravesarla por esas rendijas o hendiduras verticales. Las que chocaban con la pared propiamente dicha no llegaban a impactar en la pantalla detectora. ¿Pero qué ocurrió?
 

EL IMPACTO DE PARTÍCULAS (patrón corpuscular) ES DIFERENTE AL DE ONDAS (patrón interferencia):
Para comprender bien la importancia de lo que en este experimento se iba a descubrir, debemos partir de una explicación inicial.

I. OPCIÓN SIMPLE: RENDIJA ÚNICA (un único hueco por atravesar).
Cuando una partícula atraviesa una rendija, impronta en la pared posterior como tal partícula, es decir, incide únicamente en un punto y “en línea” con la trayectoria recta desde que se originó hasta la pantalla atravesando la rendija.

Sin embargo, una onda tiene un comportamiento diferente. Pensemos en una piedra al caer en un estanque: se forman ondas concéntricas desde el lugar de impacto de la piedra hacia la periferia del estanque, ¿verdad?

Bueno, pues si una onda atraviesa una rendija se forma un área (no un impacto singular único como en la partícula) que es más intenso en la trayectoria recta respecto a la dirección lineal del origen de la onda, atravesando esa rendija o hendidura. Ahora bien, ¿qué ocurriría si en vez de ser una rendija única, atravesasen una DOBLE RENDIJA?.

II. OPCIÓN DOBLE: RENDIJA DOBLE (dos huecos por atravesar).
El comportamiento esperado y conocido varía dependiendo de qué atraviese la doble rendija, si es un haz de partículas o un haz de ondas.
  • En el caso de un haz de partículas, las partículas individualmente van a atravesar o bien una rendija o bien la otra, e improntarán en la pantalla detectora al final, pero como un impacto simple (cada una de ellas). El patrón global se representa en la figura 1 y lógicamente será una reproducción de la forma de las rendijas (con la divergencia esperable desde la fuente), pero en cualquier caso dos bandas verticales, similares a las dos rendijas verticales interpuestas entre el haz y la pantalla detectora.
  • En el caso de un haz de ondas, la cosa es muy distinta. Las ondas van a sufrir una difracción a partir de cada una de las dos rendijas al atravesarlas, y por lo tanto, después de la doble rendija, acabarán interactuando entre ellas, de forma que:
    • si se suman dos crestas, aumentará la onda resultante;
    • si son dos valles, se hará más profundo; y
    • si es una onda y un valle, se anularán.
Por ello, lo que es esperable es que el patrón final sea tal y como se muestra en el Figura 2, un patrón de interferencia de ondas.

 
EL EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA: LA REALIDAD CAMBIA CUANDO LA OBSERVAS.
Cuando Thomas Young realizó este experimento en 1801, comúnmente conocido por experimento de Young o de la doble rendija, se esperaba que:
  • si el haz fuera de partículas o corpúsculos con masa (electrones, neutrones, protones), el patrón obtenido en la pantalla detectora fuera como el figura 1; y
  • si fuera un haz de ondas  y por tanto sin masa (fotones o luz, de naturaleza “ondulatoria”), el patrón obtenido fuera el representado en el figura 2, por la interacción entre ondas tras difractarse en las dos rendijas.
Sin embargo, sorprendentemente las partículas se comportaron de maneras inesperadas. Cuando se emitía un haz de partículas con masa y atravesaban la doble rendija no se obtenía un patrón de partículas o corpuscular, sino un patrón de interferencia de ondas; es decir, ¡las partículas se comportaban como si fueran ondas!, únicamente cuando se observaba lo que pasaba en la pantalla detectora (¡¡no en la doble rendija!!).

¿Acaso las partículas eran ondas?
 

 
¿Qué ocurría en las rendijas para que las partículas produjeran ese patrón ondulatorio? Los físicos intentaron dilucidar la respuesta y dispusieron un detector de partículas en cada rendija (=el “OBSERVADOR” o detector físico de lo que ocurría en ese lugar) para ver por dónde atravesaban las partículas (i.e., si iban por una rendija u otra y “cómo iban”). Y lo más extraño ocurrió: cuando existía un OBSERVADOR (=el detector físico a la altura de las rendijas), el patrón en la pantalla final de detección, cambiaba, y se comportaba como si fueran partículas con masa nuevamente (=patrón corpuscular; lo que inicialmente se habría esperado de ellas), tal y como refleja la figura 3. Es decir, en este caso el físico se aseguraba de ver dos hechos: a) uno en la rendija (=observador) y b) otro el efecto final en la pantalla de detección.
 
 
Ahora las partículas se comportaban como tal y los resultados eran los “esperados” a priori. Las partículas se comportaban como partículas, pero ¡solo cuando eran observadas en la doble rendija!, pues si  no, tenían un comportamiento ondulatorio.

Pero, ¿a qué se debe esto? La respuesta que dieron los científicos en su tiempo fue que las partículas eran al mismo tiempo ondas (=INTERPRETACIÓN DE COPENHAGUE: Niehls Bohr, Werner Heisenberg y Max Born fundamentalmente), esto es, nace la DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA de la luz y la materia de forma que tanto los corpúsculos (partículas como los electrones, fotones y neutrones) como las ondas sin masa (luz, fotones, rayos X… ) se pueden comportar tanto como partículas como ondas, con un patrón de probabilidad diferencial en cada caso, la función de onda (= una función de probabilidad de estar o no la partícula en un sitio determinado). Y así damos un paso más en la explicación.

FUNCIÓN DE ONDA: LA PROBABILIDAD DE ESTAR O NO ESTAR.
Esta FUNCIÓN DE ONDA consiste en una representación tridimensional de las probabilidades de encontrar una partícula en un determinado sitio. Ésta se propaga y oscila de manera esférica en el espacio.
Cuando la partícula no es detectada la función de onda queda algo así (Figura 4):
 
Esto provoca que ambas funciones de onda interfieran entre sí, cancelándose en aquellos lugares en los que la oscilación de una onda esté retrasada con respecto a la otra, y amplificándose en aquellos lugares en las que las oscilaciones vayan a la vez (como antes veíamos de forma introductoria).

En los lugares en las que la función de onda se cancela, la probabilidad de encontrar la partícula es mucho menor que en los lugares en los que se amplifica. Esto hace que al analizar los lugares de impacto de la partícula encontremos este patrón (patrón de interferencia de ondas).

Sin embargo, al poner un detector de partículas en cada rendija (=OBSERVADOR) sabemos de cuál ha salido, por lo que se produce un fenómeno conocido como COLAPSO DE LA FUNCIÓN DE ONDA: la probabilidad de encontrar una partícula en un determinado punto (en este caso la rendija) asciende a 100%, y se produce entonces un patrón corpuscular (Figura 1, cuando se colapsa la función de onda). La función de onda evoluciona a partir de este punto, sin interferencias que la cancelen o amplifiquen en determinados puntos, ya que o sale de una rendija o de otra, pero no de las dos, y así, hemos limitado con la OBSERVACIÓN del detector en la rendija las posibilidades cuánticas del haz.
Esto hace que el patrón encontrado sea el típico de una partícula, ya que al distribuirse de manera circular, el punto donde más incide la función de onda se encuentra justo delante de la rendija.


 
En conclusión, la detección de la partícula ha influido en su comportamiento, por lo que depende de cómo se observe, el resultado del experimento será uno u otro. Es decir,
¡¡EL OBSERVADOR ha influido determinantemente en LO OBSERVADO!!.
 
LA REFLEXIÓN DE BOHR: NO PRE-EXISTEN LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA.
Una reflexión aún más atrevida del propio Niels Bohr fue precisamente decir: si la partícula o corpúsculo no aparece hasta ser realmente observada, ¿cómo podemos hablar de “características” de la materia, antes de ser observada, si aún no existe?

Es decir, Bohr se tomaba tan en serio el hecho de la dualidad onda-partícula de todo que ni tan siquiera le gustaba hablar de propiedades de algo antes de existir, pues antes de observarse, era las dos cosas, onda y partícula, y las propiedades cambiarían en cada caso; es decir, había que esperar a que se “colapsase” la función de onda para que tomara la opción de materia y entonces hablar de propiedades de esa materia. Es algo así como no reflexionar sobre el matrimonio de dos sujetos de la comunidad hasta que no estén casados, pues, si no llegan a casarse (se mantienen en la función de onda-partícula), no tiene sentido hablar de sus características. El matrimonio no pre-existe, ni sus “características, antes de firmar el contrato matrimonial.
 
¿Estará la Luna ahí mientras no la observo?
Esta fue la pregunta que se hizo Einstein mientras reflexionaba sobre la “realidad” de lo que llamamos real: hasta qué punto puedo saber si lo que llamo realidad está ahí, si hasta que no es observado, no se colapsa en “materia”.
Reflexionaremos sobre esto en la siguiente entrada: EL FENÓMENO OBSERVADOR II: APLICACIONES PRÁCTICAS DIARIAS.

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Autores:
  1. Juan José Mateos Fernández.
    1. Estudiante de 1° de Bachillerato.
    2. Aficionado a la Física.
  2. Dr. David Calvo Temprano. Coach de Salud.

FigurasJuan José Mateos Fernández.

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