Dualidad onda-partícula
Por las mañanas, siempre es agradable ver un rayo de sol brillar a través de nuestras ventanas. Pero, ¿te has planteado alguna vez qué es la luz y cómo viaja desde el sol hasta nosotros? Pues bien, ésta fue una pregunta importante en la historia de la ciencia, y la solución incluye los nombres de algunos de los pensadores más brillantes del mundo. Veámoslo con más detalle.
Christiaan Huygens e Isaac Newton ofrecieron ideas opuestas sobre el comportamiento de la luz en la década de 1600. Huygens y Newton propusieron una teoría de ondas y otra de partículas, respectivamente. Pero la fama de Newton contribuyó a la aceptación de su teoría, y durante más de un siglo, la hipótesis de Newton reinó suprema.
La teoría de las partículas de la luz sufrió complicaciones a principios del siglo XIX. El experimento de la doble rendija de Thomas Young reveló una clara actividad ondulatoria, lo que implicaba que la teoría ondulatoria de la luz prevalecía sobre la teoría de partículas de Newton.
La materia, como la luz, parecía tener cualidades tanto de onda como de partícula cuando las condiciones eran correctas. La definición de la teoría de ondas-partículas afirma que, en la teoría cuántica, la materia y la luz están formadas por partículas diminutas con características ondulatorias.
Teoría cuántica
La dualidad onda-partícula es el concepto de la mecánica cuántica según el cual toda partícula o entidad cuántica puede describirse como partícula o como onda. Expresa la incapacidad de los conceptos clásicos de “partícula” u “onda” para describir completamente el comportamiento de los objetos a escala cuántica. Como escribió Albert Einstein:[1]
Parece como si unas veces tuviéramos que utilizar una teoría y otras veces la otra, mientras que otras veces podemos utilizar cualquiera de las dos. Nos enfrentamos a un nuevo tipo de dificultad. Tenemos dos imágenes contradictorias de la realidad; por separado, ninguna de ellas explica completamente los fenómenos de la luz, pero juntas sí.
Bohr consideraba la “paradoja de la dualidad” como un hecho fundamental o metafísico de la naturaleza. Un determinado tipo de objeto cuántico mostrará a veces un carácter ondulatorio y a veces un carácter de partícula, en entornos físicos respectivamente diferentes. Bohr consideraba que la renuncia a la relación causa-efecto, o complementariedad, de la imagen espacio-tiempo, era esencial para la explicación de la mecánica cuántica[5].
Teoría corpuscular
Lo extraño es que la luz es ambas cosas a la vez. Simplemente hay dos formas de ver esta entidad, la luz, y cada una viene acompañada de una descripción matemática. Ambas con una idea intuitiva completamente diferente, pero siguen describiendo lo mismo.
“Lo que hemos encontrado ahora es una dualidad similar”, explica Matthias Wilhelm, profesor adjunto de la Academia Internacional Niels Bohr. “Calculamos la predicción para un proceso de dispersión y para otro proceso de dispersión.
Nuestros cálculos actuales son menos tangibles experimentalmente que el famoso experimento de la doble rendija, pero existe un mapa matemático claro entre ambos, y demuestra que ambos contienen la misma información. Están relacionados, de alguna manera”.
Los investigadores trazan un mapa del aspecto de estos patrones, y el trabajo teórico realizado en relación con los experimentos pretende describir con precisión lo que ocurre en términos matemáticos, con el fin de crear una formulación global, así como hacer predicciones que puedan compararse con los resultados de los experimentos.
Propagación de las ondas
La teoría de la dualidad onda-partícula afirma que las ondas pueden presentar propiedades similares a las de las partículas, mientras que éstas pueden presentar propiedades similares a las de las ondas. Esta definición se opone a la mecánica clásica o física newtoniana.
En el siglo XVII, Newton demostró que, de forma similar a las ondas, los haces de luz también pueden difractarse e interferir entre sí haciendo incidir luz blanca en un prisma para recoger siete colores diferentes y recombinarlos con un segundo prisma para producir luz blanca. Esta teoría ondulatoria de la luz (física clásica) fue confirmada por el experimento de la doble rendija de Young en 1801 (figura 1).
Esta teoría clásica también fue demostrada por Davisson y Germer en 1925, cuando apuntaron un haz de electrones al níquel y la difracción de los electrones produjo franjas (figura 2A). Las franjas son propiedades de las ondas, y la difracción se explica utilizando las propiedades de interferencia de las ondas. Las franjas oscuras se producen cuando las ondas están en fase, y las franjas claras se producen cuando las ondas están desfasadas (Radiación electromagnética).