A finales de los años veinte del siglo pasado, en plena gestación de la mecánica cuántica, Albert Einstein y Niels Bohr mantuvieron uno de los debates más influyentes de la historia de la física. En el centro de la discusión Einstein–Bohr estaba una pregunta tan sencilla como profunda: ¿es posible observar simultáneamente el comportamiento ondulatorio y corpuscular de una partícula cuántica? En la conferencia Solvay de 1927, Einstein propuso un experimento mental, hoy conocido como el experimento de la rendija móvil de Einstein-Bohr, con el que pretendía poner en aprietos el principio de complementariedad defendido por Bohr. Casi un siglo después, una investigación reciente ha logrado materializar ese experimento con una fidelidad sin precedentes, utilizando un solo átomo y un solo fotón.
Para entender la relevancia del trabajo conviene recordar el experimento clásico de la doble rendija. Cuando se hace pasar luz por dos rendijas estrechas, aparece un patrón de interferencia característico de las ondas. Sin embargo, si se intenta averiguar por cuál de las rendijas pasa cada fotón, ese patrón desaparece. Bohr interpretó este hecho como una manifestación del principio de complementariedad: la naturaleza ondulatoria y la naturaleza corpuscular son descripciones mutuamente excluyentes, que no pueden observarse simultáneamente en un mismo experimento.
Gedankenexperiment
Einstein no estaba satisfecho con esta conclusión. Propuso imaginar una de las rendijas montada sobre un soporte móvil, de manera que al pasar un fotón, la rendija (su soporte) recibiera un pequeño retroceso. Si ese retroceso pudiera medirse con suficiente precisión, en principio permitiría reconstruir el camino del fotón sin destruir el patrón de interferencias. La clave estaba en el intercambio de momento entre el fotón y la rendija. Bohr respondió señalando que, al hacer la rendija móvil, entran en juego el principio de incertidumbre de Heisenberg y las fluctuaciones cuánticas del propio soporte, lo que impide obtener simultáneamente ambas informaciones.
Durante décadas, el experimento de Eisntein-Bohr permaneció en el terreno de las ideas (lo que se conoce como Gedankenexperiment, o experimento mental) porque no se veía como podría llevarse a cabo físicamente. El obstáculo principal era de escala: una rendija macroscópica tiene una incertidumbre en el momento lineal muchísimo mayor que el momento de un solo fotón óptico. En esas condiciones, el retroceso es indetectable. El nuevo trabajo resuelve este problema sustituyendo la rendija por el objeto más ligero posible que puede manipularse de forma controlada: un solo átomo.
Una rendija que es un átomo
En el experimento, los investigadores utilizan un átomo de rubidio atrapado mediante una pinza óptica, es decir, un foco láser muy intenso que actúa como una trampa microscópica. Mediante técnicas avanzadas de enfriamiento láser, el átomo se prepara en su estado fundamental de movimiento, lo que significa que sus fluctuaciones cuánticas de posición y momento están en el límite impuesto por la mecánica cuántica. En este régimen, la incertidumbre en el momento del átomo es comparable al momento de un fotón individual, algo completamente fuera del alcance de sistemas macroscópicos.
El átomo actúa así como una rendija cuántica móvil. Cuando un fotón incide sobre él y se dispersa, el átomo recibe un retroceso cuyo signo depende de la dirección en la que sale el fotón. Fotón y átomo quedan entonces entrelazados: el estado del primero está correlacionado con el momento del segundo. La visibilidad de las interferencias observadas en el fotón depende directamente de cuánto se solapan los posibles estados de movimiento del átomo tras el retroceso. Si esos estados son casi indistinguibles, la interferencia es clara; si son distinguibles, la interferencia se pierde.
Incertidumbre ajustable
Un aspecto especialmente elegante de esta versión del experimento de Eisntein-Bohr es que los investigadores pueden ajustar de forma continua la incertidumbre de momento del átomo variando la profundidad de la trampa óptica. Al confinar más fuertemente el átomo, se reduce su incertidumbre espacial y, como consecuencia directa del principio de Heisenberg, aumenta la incertidumbre en el momento. De este modo, se observa una transición gradual desde un régimen en el que predomina el comportamiento ondulatorio del fotón hasta otro en el que la información de trayectoria se hace accesible y la interferencia desaparece.
Además, el experimento permite distinguir con claridad entre efectos puramente cuánticos y efectos clásicos debidos al calentamiento del átomo. Cuando el átomo absorbe energía y deja de estar en su estado fundamental, la pérdida de interferencia ya no se debe al entrelazamiento cuántico, sino a un ruido térmico de origen clásico. Esta distinción aporta una visión muy nítida de la transición entre el mundo cuántico y el clásico.
Coherencia interna de la mecánica cuántica
La realización física del experimento de Einstein-Bohr no solo confirma, una vez más, la coherencia interna de la mecánica cuántica, sino que también traduce a un lenguaje moderno el núcleo del viejo debate. Hoy entendemos que la visibilidad de las interferencias está gobernada por el grado de entrelazamiento entre el sistema observado y el dispositivo de medida. Lejos de ser una limitación tecnológica, la complementariedad emerge como una consecuencia profunda de la estructura cuántica de la naturaleza. Este trabajo demuestra, con una claridad difícil de imaginar hace un siglo, que las discusiones Einstein-Bohr no versaban sobre detalles técnicos, sino sobre la forma misma en que la realidad se manifiesta cuando la observamos.
Referencia:
Yu-Chen Zhang, Hao-Wen Cheng, Zhao-Qiu Zengxu, Zhan Wu, Rui Lin, Yu-Cheng Duan, Jun Rui, Ming-Cheng Chen, Chao-Yang Lu & Jian-Wei (2025) Tunable Einstein-Bohr Recoiling-Slit Gedankenexperiment at the Quantum Limit Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/93zb-lws3
Para saber más:
Tomé López, C. (2013) Incompletitud y medida en física cuántica Cuaderno de Cultura Científica
Tomé López, C. (2019) Cuantos Cuaderno de Cultura Científica
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
