Divulgación Experimento de Young. Duda

[Spico]

Saludos. Ante todo, espero no molestar formulando mi pregunta de forma inadecuada.

Soy un absoluto profano sin estudios más allá de la secundaria, pero siento interés por comprender el experimento de Young en la medida que mi ignorancia me permita. La cuestión es que me estanco siempre en el mismo punto. No comprendo por qué, si todos los fotones que pasan por ambos espejos semirreflectores se detectan siempre en un mismo detector, esto descarta que se comporten exclusivamente como partículas: ¿por qué no puede ser que un fotón que se ha transmitido en el primer espejo tenga que reflejarse forzosamente en el segundo, y si se ha reflejado en el primero transmitirse forzosamente en el segundo? ¿Alguien puede recomendarme alguna lectura que me ayude a comprender este experimento desde mi carencia de base? ¿O debo resignarme, y aceptar que me faltan demasiados conocimientos de física como para comprenderlo? En tal caso, ¿qué lecturas me recomendáis para suplir esta carencia de conocimientos? En estos momentos estoy leyendo "La Realidad Cuántica" de Cassinello y Sánchez Gómez.

Gracias por anticipado. E insisto en disculparme, si no estoy acudiendo al foro adecuado para formular mi duda.

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

No entiendo a qué espejos te refieres. En la experiencia de Young lo que participan son rendijas.

Por otra parte, debemos tener cuidado con el concepto de fotón. Lamentablemente, muchos libros dan la falsa imagen, cuando se dice que "la luz está constituida por fotones" que es algo así como paquetitos de ondas. La realidad es diferente: la luz es una onda, que determina para cada punto la probabilidad de que en él se pueda depositar (detectar, si prefieres pensarlo así) una cantidad de energía $h\nu$. La localidad de esa detección, así como las propiedades mecánicas implicadas en la misma (energía y momento lineal) es lo que dota a la luz de características corpusculares, tan intrínsecas y fundamentales como las ondulatorias que acabo de mencionar.

Lo que demuestra la experiencia de Young, y además sin el más mínimo género de dudas, es ese carácter ondulatorio: la onda que mencioné anteriormente atraviesa ambas rendijas de manera que la superposición (interferencia) de ambas porciones da cuenta del patrón que se observa en la detección (fotón a fotón) ulterior.

La clave para comprender el carácter dual de la luz (y por ende de toda la materia) no está tanto en falta de base, como en los prejuicios que tenemos acerca del significado de los conceptos de onda y partícula (especialmente con relación este último). Digamos que la naturaleza se empecina en decirnos una y otra vez que nuestras ideas sobre partícula (fotón, electrón, etc) y onda (en el sentido de, por ejemplo, "la luz es una onda electromagnética") son simples aproximaciones (la primera al prescindir del aspecto ondulatorio que determina la probabilidad de detección y el segundo al requerir de la participación de un número tan elevado de fotones como para poder prescindir del aspecto corpuscular de su detección).

[Spico]

Re: Experimento de Young. Duda

Muchas gracias, Arivasm. Veo ya que mi primer error ha sido entender dos experimentos distintos como uno solo: así difícilmente podía acertar a la hora de buscar información complementaria para comprender el principio. Ignoro con qué nombre se conoce el experimento de los espejos semirreflectores: creía erróneamente que éste y el de las rendijas eran dos variantes del experimento de Young. Veo que no me queda más remedio que seguir leyendo hasta comprender por qué estos experimentos demuestran el comportamiento ondulatorio de los fotones, y que tendré que empezar por aclararme mejor con respecto a qué se debe entender por onda y por partícula. Al menos ya sé por dónde continuar: muchas gracias

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

Hola Spico. Me alegro de que mi contribución te haya resultado útil.

Tengo curiosidad por saber cómo es el experimento con dos espejos semirreflectantes al que te referiste. Te agradeceré que nos digas cuál es el nombre de su autor (¿es, quizá, Aspect?) o contarnos en qué consiste.

[fadedu]

Re: Experimento de Young. Duda

Creo que estás confundiendo el experimento de las rendijas de Young con el interferómetro de Sagnac, que es en esencia una versión del de Michelson. Tanto Young como Sagnac demuestran efectivamente el carácter ondulatorio de la luz, y en esencia el principio de superposición. En el interferómetro de Sagnac lo que hacen es colocar un divisor de rayos y los espejos de tal manera que hagan que un haz vuelva a la fuente y otro a un detector. El haz del detector sufre unas diferencias de fase al rebotar en los espejos que producen una interferencia destructiva perfecta, mientras que el que vuelve a la fuente tiene una interferencia constructiva total. En esencia lo que sucede es que no ves ningún cambio en el haz que vuelve a la fuente (y por ello es este interferómetro ideal para medir pequeñas rotaciones o cambios que puedan suceder en el medio).

Si tienes curiosidad acerca de la física cuántica y quieres saber los conceptos en general, te recomiendo Bluff your way into the quantum universe que explica todo muy simple y claro.

[Spico]

Re: Experimento de Young. Duda

Gracias de nuevo, Arivasm y Fadedu. Pues probablemente se trate del mismo o similar experimento al que se refiere Fadedu, aunque en el libro que estoy consultando ("La Realidad Cuántica" de Andrés Cassinello y José Luis Sánchez Gómez) lo llaman "interferómetro de Mach-Zender". Intentaré explicarlo brevemente y sin meter la pata:

Se emiten fotones hacia un espejo semirreflector: si el fotón se refleja, sigue una ruta y se registra en un detector A; si se transmite, sigue otra y lo hace en un detector B. El resultado es que aproximadamente la mitad se registra en un detector y la mitad en otro.

Después se coloca otro espejo semirreflector entre el primer espejo y los detectores, de modo que, siga la ruta que siga (se haya reflejado o transmitido) el fotón pase por el segundo espejo antes de registrarse en ningún detector. Si viene reflejado y vuelve a reflejarse, se registrará en el detector A; si viene reflejado y se transmite, en el detector B; si viene transmitido y se refleja, se registrará en el detector B; si viene transmitido y vuelve a transmitirse, en el detector A. Sigue, como antes de ponerse el segundo espejo, con un 50 % de probabilidades de registrarse en uno u otro detector. Pero el resultado es que todos los fotones se registran en el detector B y ninguno en el A.

Y aquí es donde viene lo que no alcanzo a comprender: de tal resultado, se concluye que el fotón ha viajado por ambas rutas a la vez y por tanto tiene un comportamiento de onda. Pero si un fotón reflejado en el primer espejo siempre se trasmitiera en el segundo, y viceversa... ¿no se registrarían todos los fotones en el detector B? De lo que deduzco que me falta mucha información, así que no os mareo más con mis dudas: seguiré leyendo a ver si me aclaro, y siguiendo el consejo de Arivasm primero intentaré hacerme una idea más clara de a qué se llama onda y a qué partícula.

Me apunto el libro que me refieres, Fadedu. Muchísimas gracias a ambos.

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

Seguramente el siguiente vídeo te interesará, para aclarar cómo ese interferómetro evidencia el carácter dual de la luz. Por cierto, que se lo recomiendo a todos los amantes de la Mecánica cuántica. Su autor, Alain Aspect, nos lo cuenta en francés, pero también hay subtítulos en inglés: http://llx.fr/site/cest-lhistoire-dun-photon/

Copio esta parte de la transcripción al inglés:

We all know an example of a beam splitter: the window on which a ray of sunlight arrives, and as everyone has seen, a part of the ray is reflected and a part of the ray is transmitted through the glass. Yes but...when the photon arrives on the glass, it cannot cut itself in two.

So, what does it do? Either it will be transmitted, or it will be reflected. But light, as we have known since the beginning of the nineteenth century, is actually a wave! How do we know? Because Thomas Young in England and Augustin Fresnel in France have done many experiments showing diffraction and interference, properties that can only be explained by admitting that light behaves as a wave.

To sum up: a single photon decides to go either on one side or on the other, which I can verify by putting a detector on each side, and observing that it is detected either on one side or on the other. And then I do a second experiment, in which I recombine the two sides of the beam splitter. There I observe interferences, that I only know one way of interpreting, that there was a wave, which was separated in two parts, and is recombined.

Thus in the first experiment the photon behaves like a particle that can only go either on one side or another; and in the second experiment the photon behaves like a wave that is split.

Weird, right? Yes, quantum mechanics is weird

[Avicarlos]

Re: Experimento de Young. Duda

Saludos. Ante todo, espero no molestar formulando mi pregunta de forma inadecuada.

Soy un absoluto profano sin estudios más allá de la secundaria, pero siento interés por comprender el experimento de Young en la medida que mi ignorancia me permita. La cuestión es que me estanco siempre en el mismo punto. No comprendo por qué, si todos los fotones que pasan por ambos espejos semirreflectores se detectan siempre en un mismo detector, esto descarta que se comporten exclusivamente como partículas: ¿por qué no puede ser que un fotón que se ha transmitido en el primer espejo tenga que reflejarse forzosamente en el segundo, y si se ha reflejado en el primero transmitirse forzosamente en el segundo? ¿Alguien puede recomendarme alguna lectura que me ayude a comprender este experimento desde mi carencia de base? ¿O debo resignarme, y aceptar que me faltan demasiados conocimientos de física como para comprenderlo? En tal caso, ¿qué lecturas me recomendáis para suplir esta carencia de conocimientos? En estos momentos estoy leyendo "La Realidad Cuántica" de Cassinello y Sánchez Gómez.

Gracias por anticipado. E insisto en disculparme, si no estoy acudiendo al foro adecuado para formular mi duda.

Como hace años pasé por tu situación te advierto de algo que me hubiera gustado lo hubieran hechom los entendidos xcunado pregunté. En cuanto a las respuestas que has recibido, tenlas en cuenta que proceden de más duchos en física que yo, pero voy por otro camino:

Cuando leas o veas los cientos de vídeos en que realizan el experimento de la doble ranura, la explicación que dan es confusa.
Se habla de onda del fotón mezclándola con el frente de ondas. Una es lo que llaman la onda asociada al fotón y que no es nada material puesto que significa el alcance de su vibración y tiene una longitud. La longitud de onda que es la que el fotón recorre tantas veces como indica su frecuencia en Hz.

La otra es el frente en que se halla junto a sus trillones de congéneres emitidos síncronos. Detrás de este frente de ondas, le siguen a distancias de centésimas de nanometros tantas cuanto tiempo dure la emisión del haz de rayos luz.

Si piensas en esto, verás que el experimento es cierto y se entiende lo que se dice siempre de que el fotón, y su onda asociada son una sola cosa, mientras que las ondas conteniendo fotones son otra. Para demostrar esto, es válido el experimento, pero luego cuando, le otorgan que se puede demostrar con emisiones de fotones uno a uno, mentan unos experimentos que son ficticios.
Conste que leí libros de texto que lo avalan pero con la boca pequeña.

Saludos de Avicarlos.

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

Para demostrar esto, es válido el experimento, pero luego cuando, le otorgan que se puede demostrar con emisiones de fotones uno a uno, mentan unos experimentos que son ficticios.

Puedes leer uno de tales experimentos, realizado en el laboratorio, y que confirma las predicciones cuánticas, en este artículo: http://www.physique.ens-cachan.fr/ol...lation_EPL.pdf

[Avicarlos]

Re: Experimento de Young. Duda

Puedes leer uno de tales experimentos, realizado en el laboratorio, y que confirma las predicciones cuánticas, en este artículo: http://www.physique.ens-cachan.fr/ol...lation_EPL.pdf

Agradecido por tu atención y procurarme un nuevo artículo en que se trata de demostrar que los experimentos a fin de separar uno a uno los fotones de un rayo a la vez que del haz y en una sola polaridad, se consiguió.
Precisamente el que me ofreces está en inglés y me entero muy poco. Sin embargo, una vez ojeado me ha parecido muy similar a tantos y tantos como sí leí en español, donde queda patente que por más artilugios que se interpongan para separar los fotones al final son realmente un grupo menguado hasta el límite que permite el experimento.
En el libro de Física Cuántica de Carlos Sanchez del Río, en un capítulo incluso incluye un baremo de experimentos realizados para tal comprobación y a pesar de ello, no consigue que todos los intervinentes estén de acuerdo que el resultado sea fiable al cien por cien.

Uno de los defectos de los experimentos que SIRVEN PARA DEMOSTRAR la función del fotón, pero no que sea el mismo fotón el que pase a la vez por dos tranuras.
Primero en lugar de ranura deberían realizarlo con doble agujero diametro long. onda y separados máximo 1,41 long. onda. Segundo no intervenir con espejos y sensores que, o reflejan al mismo, o uno nuevo por haber sido absorbido y por último la pantalla lo que recibe es UN FOTÓN. y no EL FOTÓN. Además las huellas que son lo único que puede verse y no el fotón que interactuó tiene un tamaño a simple vista correspondiente a la reacción química de la luz con la pantalla. Este tamaño es ya de como mínimo una molécula. (el resultado de la reacción química). y no se puede afirmar que fue uno o varios (muchos) los que interaccionaron.

Tampoco tienen en cuenta la cantidad de fotones que llegan por difracción, además de unos pocos directos habiendo traspasado limpiamente las ranuras que deberían ser agujeros . Por las ranuras pasan muchos unas veces por el borde superior, otras por el inferior y luego las intermedias. Todo ello desvirtúa lo que se quiere demostrar. Que sólo pasó un fotón. Pasaron por allí muchos fotones del rayo, e incluso del haz.

Recuerdo que en un segundo por centímetro cuadrado de emisión, salen trillones de fotones y aún dirigiéndolos focalizados no se logra la intensidad de uno solo.

Saludos de Avicarlos.

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

¿Qué opinas de este otro clásico?: http://www.hitachi.com/rd/portal/res...oubleslit.html

- - - Actualizado - - -

He encontrado el artículo de Tonomura en el que publica el experimento y sus resultados: http://www.ifi.unicamp.br/~aguiar/Cu...omura-1989.pdf

Del mismo destaco este párrafo (al final de la 3ª página):

The experiment was performed at the electron arrival rate of approximately $10^{13}$ electrons/s in the whole field of view so that the interference fringes could be formed in a reasonably time, say, 20 min. The distance from the source to the screen is 1.5 m, while the average interval of succesive electrons is 150 km. In addition, the length of the electron wave packet is as short as $\approx 1\ \mu\rm m$. Therefore, there is very little chance for two electrons to be present simultaneously between the source and the detector, and much less chance for two wave packets to overlap.

Como dices que te cuesta entender el inglés lo traduzco:

El experimento se realizó a un ritmo de llegada de los electrones de aproximadamente $10^{13}$ electrones/s en el campo de visión completo, de manera que las franjas de interferencia se pudiesen formar en un tiempo razonable, aproximadamente 20 min. La distancia desde la fuente a la pantalla es de 1.5 m, mientras que el intervalo medio de dos electrones sucesivos es 150 km. Además, la longitud del paquete de ondas electrónico es tan pequeño como $\approx 1\ \mu\rm m$. Por tanto, hay muy pocas posibilidades de que dos electrones estén presentes simultáneamente entre la fuente y el detector, y muchas menos posibilidades de que dos paquetes de ondas puedan superponerse.

Si alguien tiene prisa por saber a qué experimento me refiero, se trata de uno realizado en un microscopio electrónico que se puede resumir con esta figura:

El vídeo resultante, en el que se acelera el tiempo para ver las franjas es éste:

Se trata de una magnífica descripción de lo que es la dualidad onda-corpúsculo: cada electrón deposita su energía de un modo local, transfiriendo además momento lineal y evidenciando propiedades corpusculares; un electrón genera un solo punto en la pantalla, bien localizado. Sin embargo, la distribución de las probabilidades de tales sucesos requiere para su explicación de una onda que se difracta e interfiere en el biprisma.

[Avicarlos]

Re: Experimento de Young. Duda

¿Qué opinas de este otro clásico?: http://www.hitachi.com/rd/portal/res...oubleslit.html

- - - Actualizado - - -

He encontrado el artículo de Tonomura en el que publica el experimento y sus resultados: http://www.ifi.unicamp.br/~aguiar/Cu...omura-1989.pdf

Del mismo destaco este párrafo (al final de la 3ª página):


Como dices que te cuesta entender el inglés lo traduzco:



Si alguien tiene prisa por saber a qué experimento me refiero, se trata de uno realizado en un microscopio electrónico que se puede resumir con esta figura:

[ATTACH=CONFIG]8561[/ATTACH]

El vídeo resultante, en el que se acelera el tiempo para ver las franjas es éste:

Se trata de una magnífica descripción de lo que es la dualidad onda-corpúsculo: cada electrón deposita su energía de un modo local, transfiriendo además momento lineal y evidenciando propiedades corpusculares; un electrón genera un solo punto en la pantalla, bien localizado. Sin embargo, la distribución de las probabilidades de tales sucesos requiere para su explicación de una onda que se difracta e interfiere en el biprisma.

Tal como supuse el artículo inglés es calacado a los leídos muchas veces en español. Incluso con autores diversos mentando experiencias de de otros físicos. Y parece que no se entienda que lo que a mí no me convence aunque ellos digan que así (suponen) es, es que envíen fotones de uno en uno . Aquí le ponen electrones, pero es bastante similar. Los fotones emitidos, para que se separaran de uno en uno, necesitan cortes de atosegundos. Incluso al cortar el flujo con este tiempo (que no lo hacen en el experimento,) se cuelan gran cantidad del flujo.

Y ya vi que para que un fotón enviado focalizado mediante una parabólica, para disponer de la intensidad de uno por centímetro cuadrado, se consigue a partir de 100.000 Km. Esto por su natural, pero no leí como artificialmente separan los fotones que se hallan en continuo flujo como en 10^-9 cm. uno tras otro y con sus acompañantes de su frente de ondas a 10^-20 cm.

En seis años que pedí esto no hubo manera que nadie me lo explicara. Siempre se dice que es así por cuanto alguien lo hizo sin más.

Saludos de Avicarlos.

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

Y parece que no se entienda que lo que a mí no me convence aunque ellos digan que así (suponen) es, es que envíen fotones de uno en uno . Aquí le ponen electrones, pero es bastante similar.

Creo que has pasado por alto el párrafo del artículo sobre el experimento y que he traducido

El experimento se realizó a un ritmo de llegada de los electrones de aproximadamente $10^{13}$ electrones/s en el campo de visión completo, de manera que las franjas de interferencia se pudiesen formar en un tiempo razonable, aproximadamente 20 min. La distancia desde la fuente a la pantalla es de 1.5 m, mientras que el intervalo medio de dos electrones sucesivos es 150 km. Además, la longitud del paquete de ondas electrónico es tan pequeño como $\approx 1\ \mu\rm m$. Por tanto, hay muy pocas posibilidades de que dos electrones estén presentes simultáneamente entre la fuente y el detector, y muchas menos posibilidades de que dos paquetes de ondas puedan superponerse.

¿Qué hay en él que te haga dudar de que el experimento no garantice que la probabilidad de que haya dos electrones al mismo tiempo es absolutamente despreciable? ¿Por qué te parece que no es posible manejar un flujo de 10 billones de electrones / s?. Son casi 2 microamperios.

[Avicarlos]

Re: Experimento de Young. Duda

Creo que has pasado por alto el párrafo del artículo sobre el experimento y que he traducido


¿Qué hay en él que te haga dudar de que el experimento no garantice que la probabilidad de que haya dos electrones al mismo tiempo es absolutamente despreciable? ¿Por qué te parece que no es posible manejar un flujo de 10 billones de electrones / s?. Son casi 2 microamperios.

En mi anterior digo:

Los fotones emitidos, para que se separaran de uno en uno, necesitan cortes de atosegundos. Incluso al cortar el flujo con este tiempo (que no lo hacen en el experimento,) se cuelan gran cantidad del flujo.

Y ya vi que para que un fotón enviado focalizado mediante una parabólica, para disponer de la intensidad de uno por centímetro cuadrado, se consigue a partir de 100.000 Km. Esto por su natural, pero no leí como artificialmente separan los fotones que se hallan en continuo flujo como en 10^-9 cm. uno tras otro y con sus acompañantes de su frente de ondas a 10^-20 cm.

Por lo que dices, en un micrómetro = 10^-4 cm, hay 10^16 electrones y un atosegundo después, otros 10^16 electrones más.
En este atosegundo, distan unos de otros 10^-9 cm. Si emiten según anotas separados 150 km. el corte es de 5*10^-5 s por lo que entre este tiempo y el 10^-18 s, pasan 5*10^12 frentes de onda.

Y no importa que se trate de fotones (electrones en este caso) de mínima energía lo que preciso es su cantidad.

Saludos de Avicarlos.

[arivasm]

Re: Experimento de Young. Duda

Tus cálculos son erróneos: la energía cinética de los electrones es de 50 keV, lo que implica una velocidad media del orden de $10^8\ \rm m/s$. Con un flujo de $10^{13}$ electrones/s y teniendo en cuenta que la dimensión del aparato es de 1,5 m, si admitimos que los electrones son emitidos de uno en uno, la distancia entre ellos es la que indica el autor, es decir, del orden den $10^5$ m, lo que implica que no es cierto eso que afirmas de que hay $10^{16}$ electrones en una distancia de $10^{-6}\ \rm m$. Con una velocidad como la que dije antes, tu estimacións implicaría un flujo del orden de $10^{22}$ electrones/s, es decir, una intensidad del orden del kA, evidentemente excesiva para un microscopio electrónico.

Edito: En su momento transcribí erróneamente el ritmo de llegada de electrones. Debiera haber puesto: $10^3$ electrones/s.