thumb|Los fotones o partículas de materia (como un electrón) producen un patrón de onda cuando se usan dos rendijas|254x254pxEn la física moderna, el experimento de la doble rendija es una demostración de que la luz y la materia pueden mostrar características tanto de ondas como de partículas definidas clásicamente; además, muestra la naturaleza fundamentalmente probabilística de los fenómenos de la mecánica cuántica. Este tipo de experimento fue realizado por primera vez, utilizando luz, por Thomas Young en 1801, como demostración del comportamiento ondulatorio de la luz. En aquella época se pensaba que la luz consistía en ondas o en partículas. Con el inicio de la física moderna, unos cien años más tarde, se comprendió que la luz podía, de hecho, mostrar un comportamiento característico tanto de las ondas como de las partículas. En 1927 Davisson y Germer demostraron que los electrones muestran el mismo comportamiento, lo que se extendió posteriormente a los átomos y las moléculas. El experimento de Thomas Young con la luz formaba parte de la física clásica mucho antes del desarrollo de la mecánica cuántica y del concepto de dualidad onda-partícula. Él creía que demostraba que la teoría ondulatoria de la luz era correcta, y su experimento se conoce a veces como el experimento de Young o las rendijas de Young.
El experimento forma parte de una clase general de experimentos de "doble trayectoria", en los que una onda se divide en dos ondas separadas que posteriormente se combinan en una sola onda. La onda suele estar formada por muchos fotones y es mejor denominarla frente de onda, así como no confundirla con las propiedades ondulatorias del fotón individual. Los cambios en las longitudes de trayectoria de ambas ondas dan lugar a un desplazamiento de fase, creando un patrón de interferencia. Otra versión es el interferómetro Mach-Zehnder, que divide el haz con un divisor de haz.
En la versión básica de este experimento, una fuente de luz coherente, como un rayo láser, ilumina una placa perforada por dos rendijas paralelas, y la luz que pasa por las rendijas se observa en una pantalla detrás de la placa. La naturaleza ondulatoria de la luz hace que las ondas luminosas que pasan por las dos rendijas interfieran, produciendo bandas brillantes y oscuras en la pantalla, un resultado que no se esperaría si la luz estuviera formada por partículas clásicas.Feynman, 1965, p. 1.5 Sin embargo, la luz siempre se absorbe en la pantalla en puntos discretos, como partículas individuales (no ondas); el patrón de interferencia aparece a través de la densidad variable de estos impactos de partículas en la pantalla. Además, las versiones del experimento que incluyen detectores en las rendijas encuentran que cada fotón detectado pasa a través de una rendija (como lo haría una partícula clásica), y no a través de ambas rendijas (como lo haría una onda).Feynman, 1965, p. 1.7"...if in a double-slit experiment, the detectors which register outcoming photons are placed immediately behind the diaphragm with two slits: A photon is registered in one detector, not in both..." "It seems that light passes through one slit or the other in the form of photons if we set up an experiment to detect which slit the photon passes, but passes through both slits in the form of a wave if we perform an interference experiment." Sin embargo, estos experimentos demuestran que las partículas no forman el patrón de interferencia si se detecta por qué rendija pasan. Estos resultados demuestran el principio de la dualidad onda-partícula.Feynman, The Feynman Lectures on Physics, 3:Quantum Mechanics p.1-1 "There is one lucky break, however— electrons behave just like light.".See: Davisson–Germer experiment
Se ha comprobado que otras entidades a escala atómica, como los electrones, presentan el mismo comportamiento cuando se disparan hacia una doble rendija. Además, se observa que la detección de impactos discretos individuales es inherentemente probabilística, lo cual es inexplicable utilizando la mecánica clásica.
El experimento puede realizarse con entidades mucho mayores que los electrones y los fotones, aunque resulta más difícil a medida que aumenta el tamaño. Las entidades más grandes con las que se ha realizado el experimento de la doble rendija han sido moléculas compuestas por 2000 átomos cada una (cuya masa total era de 25.000 unidades de masa atómica).
El experimento de la doble rendija (y sus variaciones) se ha convertido en un clásico por su claridad a la hora de expresar los enigmas centrales de la mecánica cuántica. Debido a que demuestra la limitación fundamental de la capacidad del observador para predecir los resultados experimentales, Richard Feynman lo llamó «un fenómeno que es imposible [...] de explicar de cualquier manera clásica, y que tiene en él el corazón de la mecánica cuántica. En realidad, contiene el único misterio [de la mecánica cuántica]».
Relevancia física thumb|200px|Acumulación de electrones con el paso del tiempo. Aunque este experimento se presenta habitualmente en el contexto de la mecánica cuántica, fue diseñado mucho antes de la llegada de esta teoría para responder a la pregunta de si la luz tenía una naturaleza corpuscular o si, más bien, consistía en ondas viajando por el éter, análogamente a las ondas sonoras viajando en el aire. La naturaleza corpuscular de la luz está basada sobre todo en las investigaciones, descubrimientos y trabajos de Newton; la naturaleza ondulatoria, en los trabajos clásicos de Hooke y Huygens.
Los patrones de interferencia observados por estos científicos restaban crédito a la teoría corpuscular. La teoría ondulatoria se mostró muy robusta hasta los comienzos del , cuando nuevos experimentos empezaron a mostrar un comportamiento que solo podía ser explicado por una naturaleza corpuscular de la luz. De este modo el experimento de la doble rendija y sus múltiples variantes se convirtieron en un experimento clásico por su claridad a la hora de presentar una de las principales características de la mecánica cuántica.
El experimento no se realizó en la forma en la que se presenta normalmente hasta 1961, utilizando electrones y mostrando la dualidad onda-corpúsculo de las partículas subatómicas (Claus Jönsson, Zeitschrift für Physik, 161, 454; Electron diffraction at multiple slits, American Journal of Physics, 42, 4-11, 1974). En 1974 fue posible realizar el experimento en su forma más ambiciosa, electrón a electrón, comprobando las hipótesis mecanocuánticas predichas por Richard Feynman. Este experimento fue realizado por un grupo italiano liderado por Pier Giorgio Merli y repetido de manera concluyente en 1989 por un equipo japonés liderado por Akira Tonomura y que trabajaba para la compañía Hitachi. El experimento de la doble rendija electrón a electrón se explica a partir de la interpretación probabilística de la trayectoria seguida por las partículas.
El experimento
Formulación clásica thumb|Dos patrones de difracción por una onda plana. thumb|200px|right|Dos ranuras están iluminadas por una onda plana.La formulación original de Young es muy diferente de la moderna formulación del experimento y utiliza una doble rendija. En el experimento original un estrecho haz de luz, procedente de un pequeño agujero en la entrada de la cámara, es dividido en dos por una tarjeta de una anchura de unos 0,2 mm. El haz de luz tenía una anchura ligeramente superior al ancho de la tarjeta divisoria por lo que cuando esta se posicionaba correctamente el haz era dividido en dos, cada uno pasando por un lado distinto de la pared divisoria. El resultado puede verse proyectado sobre una pared en una habitación oscurecida. Young realizó el experimento en la misma reunión de la Royal Society mostrando el patrón de interferencias producido demostrando la naturaleza ondulatoria de la luz.right|350px|thumb|El mismo conjunto de doble rendija (0,7 mm entre las rendijas); en la imagen superior, una rendija está cerrada. En la imagen de una sola rendija, se forma un patrón de difracción (los puntos débiles a ambos lados de la banda principal) debido al ancho distinto de cero de la rendija. También se ve un patrón de difracción en la imagen de doble rendija, pero con el doble de intensidad y con la adición de muchas franjas de interferencia más pequeñas.frame|Simulación de una función de onda de partículas: experimento de doble rendija. El desenfoque blanco representa la partícula. Cuanto más blanco es el píxel, mayor es la probabilidad de encontrar una partícula en ese lugar si se mide.
Formulación moderna
La formulación moderna permite mostrar tanto la naturaleza ondulatoria de la luz como la dualidad onda-corpúsculo de la materia. En una cámara oscura se deja entrar un haz de luz por una rendija estrecha. La luz llega a una pared intermedia con dos rendijas. Al otro lado de esta pared hay una pantalla de proyección o una placa fotográfica. Cuando una de las rejillas se cubre aparece un único pico correspondiente a la luz que proviene de la rendija abierta. Sin embargo, cuando ambas están abiertas en lugar de formarse una imagen de superposición de las obtenidas con las rendijas abiertas individualmente, se obtiene una figura de interferencias con rayas oscuras y otras brillantes.
Este patrón de interferencias se explica fácilmente a partir de la interferencia de las ondas de luz, al combinarse la luz que procede de dos rendijas, de manera muy similar a como las ondas en la superficie del agua se combinan para crear picos y regiones más planas. En las líneas brillantes la interferencia es de tipo "constructiva". El mayor brillo se debe a la superposición de ondas de luz coincidiendo en fase sobre la superficie de proyección. En las líneas oscuras la interferencia es "destructiva" con prácticamente ausencia de luz a consecuencia de la llegada de ondas de luz de fase opuesta (la cresta de una onda se superpone con el valle de otra).
Variaciones del experimento
Interferencia de partículas individuales thumb|right|300px|Acumulación del patrón de interferencia de las detecciones de partículas individuales.
Una versión importante de este experimento utiliza partículas individuales. Al enviar las partículas a través de un aparato de doble rendija de una en una, aparecen partículas individuales en la pantalla, como era de esperar. Sin embargo, es sorprendente que aparezca un patrón de interferencia cuando se permite que estas partículas se acumulen una a una (véase la imagen adyacente). Esto demuestra la dualidad onda-partícula, que afirma que toda la materia presenta propiedades tanto de onda como de partícula: La partícula se mide como un solo pulso en una sola posición, mientras que la onda describe la probabilidad de absorber la partícula en un lugar específico de la pantalla. Se ha demostrado que este fenómeno ocurre con los fotones y los electrones, átomos, e incluso algunas moléculas. El éxito se alcanzó con el buckminsterfullereno () en 2001, con 2 moléculas de 430 átomos ( y ) en 2011, y con moléculas de hasta 2000 átomos en 2019.
La probabilidad de detección es el cuadrado de la amplitud de la onda y puede calcularse con ondas clásicas (véase abajo). Desde el origen de la mecánica cuántica, algunos teóricos han buscado formas de incorporar determinantes adicionales o "variables ocultas" que, si se conocieran, darían cuenta de la ubicación de cada impacto individual con el objetivo.
Intereferencia con antimateria