El experimento más bello de la física

Cuando Robert P. Crease, del departamento de Filosofía de la Universidad Estatal de Nueva York e historiador del Laboratorio Nacional Brookhaven de Estados Unidos, pidió recientemente a los físicos que nombraran el experimento más bello de todos los tiempos, los 10 finalistas fueron fundamentalmente interpretaciones solistas en las que, como máximo, habían participado unos pocos ayudantes. La mayoría de los experimentos -enumerados en la edición de septiembre de Physics World- tuvieron lugar sobre una mesa y ninguno de ellos precisó más poder de computación que una regla de cálculo o una calculadora.

Lo que tienen en común estos experimentos es que resumen esa escurridiza cualidad que los científicos denominan belleza. Se trata de la belleza en su sentido clásico: la simplicidad lógica del aparato, como la simplicidad lógica del análisis, parece tan inevitable y pura como las líneas de un monumento griego. Confusión y ambigüedad quedan momentáneamente 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 ningún científico. Cuando por fin se hizo, además, en 1961, casi nadie se enteró, 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 demostración elegante y sencilla, aunque difícil de hacer, de la naturaleza cuántica del electrón.

Empecemos por Young. Newton no siempre tenía razón. Con diversos argumentos había convencido a los científicos en general de que la luz consiste exclusivamente en partículas en lugar de ondas. Hacia 1803, Young, médico y físico británico quiso comprobar esta idea. Hizo un agujero en una persiana, lo cubrió con un trozo grueso de papel que taladró con un diminuto punzón y utilizó un espejo para desviar el fino haz de luz que pasaba a su través. Después cogió 'un trozo de cartón, aproximadamente de tres milímetros de grosor' y lo puso de canto en el recorrido del haz, dividiéndolo en dos. El resultado fue una sombra de bandas alternativas de luz y oscuridad, fenómeno que sólo podía explicarse si los dos rayos se relacionaban como ondas.

Las bandas de luz aparecían donde se solapaban dos picos de onda, reforzándose mutuamente, mientras que las bandas oscuras marcaban el lugar en que un pico se alineaba con un seno, neutralizándose mutuamente. La demostración se repitió 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 volvería especialmente importante un siglo después, cuando se inició la teoría cuántica (5º en la lista).

Sin embargo, ni Newton ni Young estaban en lo cierto respecto a la naturaleza de la luz. Aunque no está sencillamente compuesta de partículas, tampoco puede describirse simplemente como una onda. En los primeros cinco años del siglo XX, Max Planck y después 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 también se comporta como una onda.

Hizo falta la teoría cuántica, desarrollada durante las décadas siguientes, para reconciliar la forma en que las dos ideas podían ser verdaderas: los fotones y otras partículas subatómicas -los electrones, los protones y demás- presentan dos cualidades complementarias; son partículas y son ondas.

Para explicar la idea, a los demás y a sí mismos, los físicos solían usar un experimento imaginario en el que se repite la demostración de la doble rendija de Young con un haz de electrones en lugar de un haz de luz. Obedeciendo las leyes de la mecánica cuántica, el flujo de partículas se divide en dos, y los flujos menores interfieren entre sí dejando el mismo tipo de patrón de interferencia (líneas de luz y sombra) que la luz proyectaba. Las partículas actuarían como ondas.

Según el director de Physics World, fue en 1961 cuando se hizo de verdad el experimento. El autor fue Claus Jönsson, de la ciudad alemana de Tubinga, que lo publicó en la revista Zeitschrift für Physik. Luego, en 1989, el experimento fue reproducido con un solo electrón y publicado en una revista de Estados Unidos. En aquel momento ya nadie se sorprendió del resultado, que fue absorbido anónimamente por la ciencia.