Cuando Thomas Young presentó su experimento de la doble rendija en 1801, sorprendió al mundo al mostrar que la luz podía comportarse como una onda. Durante generaciones, esta demostración ha sido una piedra angular para explicar el comportamiento de la luz en libros de texto, documentales y clases de física. Pero ¿y si, después de más de dos siglos, estuviéramos interpretando mal lo que realmente sucede en ese experimento?
Un equipo internacional de físicos liderado por Gerhard Rempe y colaboradores de Brasil, Suiza y Alemania ha publicado un trabajo que propone una interpretación radicalmente distinta de la interferencia luminosa. Según este nuevo enfoque, los patrones de franjas que se observan en el experimento no necesitan ondas para explicarse. En su lugar, todo puede entenderse con una descripción puramente cuántica, centrada en partículas de luz, los fotones, y en cómo se agrupan en lo que llaman estados brillantes y estados oscuros.
La vieja pregunta: ¿qué es realmente la luz?
Desde la Antigua Grecia hasta la física cuántica del siglo XX, la naturaleza de la luz ha sido una de las grandes incógnitas científicas. Newton apostó por un modelo de partículas, Huygens por uno ondulatorio. Más tarde, con el avance de la óptica y el electromagnetismo, la idea de la luz como onda pareció asentarse definitivamente. Sin embargo, en 1905, Einstein devolvió a la luz su carácter corpuscular para explicar el efecto fotoeléctrico.
Este vaivén conceptual dio origen a la conocida dualidad onda-partícula, que afirma que la luz y otros objetos cuánticos pueden comportarse como partículas en unos contextos y como ondas en otros. Esta idea ha sido aceptada ampliamente y sirve de base para la interpretación de muchos fenómenos. El experimento de la doble rendija es, precisamente, uno de los ejemplos clásicos para ilustrar esta dualidad.
Pero según los autores del nuevo estudio, este experimento no necesita interpretarse como una prueba de la naturaleza ondulatoria de la luz. “Demostramos que la interferencia entre modos de radiación independientes, usualmente interpretada como una señal inequívoca del carácter ondulatorio, tiene una explicación puramente corpuscular”, se afirma en el artículo científico original.
La clave: estados brillantes y estados oscuros
La propuesta de los investigadores se basa en el análisis cuántico de cómo la luz interactúa con la materia. Usando herramientas de la óptica cuántica, el equipo ha identificado ciertos estados colectivos de la luz que pueden clasificarse como estados brillantes, capaces de interactuar con detectores, y estados oscuros, que no producen esa interacción.
Estos estados no son conceptos nuevos, ya se conocían en contextos como la superradiancia en sistemas atómicos. Sin embargo, nunca antes se habían aplicado directamente a la interpretación del patrón de interferencia del experimento de la doble rendija. Los autores explican que al combinar dos modos de luz con distintas fases, se pueden formar estados colectivos que, aunque contengan fotones, son invisibles para un detector típico. En palabras del artículo: “Estos fotones están en un estado perfectamente oscuro para el átomo sensor”.
Esto implica que incluso en los puntos del experimento donde no se detecta luz —las zonas de interferencia destructiva— sí hay fotones presentes, pero organizados de forma que no excitan al detector. Por tanto, la ausencia de señal no significa ausencia de luz, sino que esa luz está en un estado no observable con los métodos convencionales.
Qué sucede en la doble rendija, según esta nueva visión
En la formulación clásica, las franjas de interferencia se interpretan como resultado de la superposición de dos ondas que refuerzan o cancelan sus efectos en distintas zonas de la pantalla. El nuevo enfoque sustituye esta imagen por una descripción basada en la superposición cuántica de estados brillantes y oscuros.
Por ejemplo, los autores muestran que cuando dos modos de luz están en fase, el estado colectivo resultante es un estado brillante, que interacciona con los detectores con intensidad duplicada. En cambio, cuando los modos están en oposición de fase, el resultado es un estado perfectamente oscuro, que no interactúa en absoluto con el sensor, aunque contenga fotones.
Una implicación interesante de este modelo es que la luz puede estar en cualquier punto del patrón de interferencia, aunque solo se detecte en ciertas zonas. En el artículo se afirma literalmente: “El fotón puede, en principio, llegar a cualquier posición de la pantalla, pero solo se detecta donde sobrevive el estado brillante”.
Este enfoque también explica de forma natural cómo ciertos detectores que intentan saber por qué rendija pasó el fotón pueden destruir el patrón de interferencia sin necesidad de aplicar un “golpe” al fotón, como se pensaba hasta ahora. Basta con que el detector rompa la coherencia cuántica del estado oscuro, haciéndolo detectable.
Una interpretación que no contradice los experimentos previos
Es importante destacar que esta teoría no niega los resultados observados durante más de un siglo. Los patrones de interferencia seguirán apareciendo igual que siempre. Lo que cambia es la forma de interpretarlos. En lugar de ver la luz como una onda que interfiere consigo misma, este modelo propone que los patrones surgen de la estructura cuántica del estado de los fotones.
Como señalan los investigadores, “los estados colectivos de la luz se dividen en tres clases distintas: perfectamente oscuros, superradiantes máximos e intermedios”. Las zonas brillantes del patrón corresponden a los estados superradiantes (brillantes), las zonas oscuras a los perfectamente oscuros, y las zonas intermedias a estados con interacción parcial. Este enfoque permite reinterpretar muchos fenómenos cuánticos desde una perspectiva netamente corpuscular.
Además, el modelo se basa en herramientas y principios bien establecidos, como la teoría de coherencia óptica desarrollada por Glauber, y no requiere introducir elementos exóticos o especulativos.
Implicaciones futuras y posibles aplicaciones
Más allá de la reinterpretación conceptual, esta teoría abre nuevas posibilidades tecnológicas. Si es posible manipular y detectar estos estados oscuros de la luz, podrían desarrollarse nuevos dispositivos capaces de medir señales antes consideradas indetectables, especialmente en contextos de interferencia destructiva.
Por ejemplo, se especula que estos estados oscuros podrían usarse como memorias cuánticas resistentes a la decoherencia, al no interactuar con el entorno. También podrían facilitar nuevos esquemas de computación cuántica, basados en operaciones lógicas que aprovechen la diferencia entre estados brillantes y oscuros para realizar cálculos sin pérdida de información.
Asimismo, la idea puede extenderse a sistemas con más modos de luz o más rendijas, y los autores sugieren que experimentos con átomos atrapados, iones o circuitos superconductores podrían poner a prueba estas predicciones.
El trabajo también tiene un componente filosófico, ya que pone en duda interpretaciones habituales de la física cuántica como el carácter “dual” de la luz. Si este modelo se consolida, podríamos hablar de una descripción enteramente corpuscular del fenómeno de interferencia, sin necesidad de recurrir al concepto de onda.
Referencias
- Celso J. Villas-Boas, Carlos E. Máximo, Paulo J. Paulino, Romain P. Bachelard, Gerhard Rempe. Bright and dark states of light: The quantum origin of classical interference. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.133603.
Cortesía de Muy Interesante
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