¿Es una onda o una partícula? Son ambos, algo así.

By: Paul Sutter 

¿Es una onda o es una partícula? Esta parece una pregunta muy simple. Las ondas son fenómenos muy distintos en nuestro universo, al igual que las partículas. Y tenemos diferentes conjuntos de matemáticas para describir cada uno de ellos. Entonces, si queremos describir todo el universo, este parece ser un esquema de clasificación muy útil, excepto cuando no lo es. Y no está en uno de los aspectos más importantes de nuestro universo: el mundo subatómico . 

Cuando se trata de cosas como fotones y electrones, la respuesta a la pregunta “¿Se comportan como ondas o partículas?” Es sí.

Dos mundos

A primera vista (e incluso en miradas más profundas), las ondas y las partículas son muy diferentes. Una partícula es, lo mejor que puedo decir, una cosa. Es un objeto pequeño, único y finito. Puedes sostener una partícula en tu mano. Puedes arrojar una partícula a otra persona y verla rebotar en ella. Está localizado. Puede señalar una partícula y decir: “Mira, la partícula está allí, exactamente donde estoy apuntando”. 

Las partículas tienen impulso y posiciones. Las partículas se moverán en línea recta hasta que algo cambie de dirección. Las partículas pueden rebotar en otras partículas y pueden cambiar de trayectoria. Piense en balas o coches a toda velocidad. No son partículas subatómicas literalmente pequeñas, pero actúan como partículas cuando chocan contra otras cosas. Muchas interacciones físicas pueden describirse simplemente como partículas que rebotan entre sí. 

Por otro lado, las olas son casi completamente diferentes. No están localizados. Si desea indicar dónde está una ola, debe mover las manos gesticulando vagamente, diciendo: “Está todo allí”. No puedes sostener la ola en tu mano. En cambio, la ola pasa por encima, alrededor o incluso a través de su mano. 

Las ondas son oscilaciones, lo que significa que se mueven. Transportan energía de un lugar a otro. Las ondas no rebotan realmente, sino que interfieren entre sí. A veces, cuando las olas se juntan a la perfección, las crestas se encuentran con las crestas y se obtienen olas dobles. A esto se le llama “interferencia constructiva”. Pero a veces, las ondas se anulan entre sí y no se obtiene nada en absoluto, una interacción conocida como “interferencia destructiva”. Las olas pueden doblar las esquinas y, cuando pasan a través de aberturas estrechas, pueden abrirse en abanico o difractarse. Hay muchos tipos de olas en nuestro universo, como olas del océano y olas en un Slinky.

Tanto las ondas como las partículas se describen mediante conjuntos muy, muy diferentes de ecuaciones matemáticas. Entonces, si desea describir algo científicamente, primero debe decidir si es una onda o una partícula; luego puede utilizar las herramientas matemáticas correctas para hacer predicciones sobre cómo se comportará y actuará. Y durante un par de cientos de años, esta línea de pensamiento fue un buen enfoque para resolver todos los problemas de física del mundo.

La luz es una onda … y una partícula

Los problemas con este enfoque comenzaron con la luz misma. A principios del siglo XIX, el científico inglés Thomas Young jugó algunos juegos con la luz al hacer brillar algunos rayos a través de dos aberturas estrechas en una pantalla detrás de ellos. Lo que encontró fue un patrón de interferencia clásico con franjas de intensidad variable en la pantalla. Esto es exactamente lo que harían las ondas de agua al pasar por dos canales estrechos. Algunas de las ondas de luz se sumarían y algunas de las ondas se cancelarían, dejando un patrón de rayas en la pantalla trasera. Esta es una evidencia bastante sólida de que la luz actúa como una onda , porque esto es exactamente lo que hacen las ondas.

Esta idea se reforzó unas décadas más tarde cuando el físico escocés James Clerk Maxwell descubrió que la electricidad y el magnetismo eran en realidad dos caras de la misma moneda electromagnética y, en el proceso, se dio cuenta de que la luz son ondas de electricidad y magnetismo . Eso dio una imagen concluyente de lo que está haciendo las ondas cuando se trata de luz: su electricidad y magnetismo. La luz es una ola. Resérvalo, listo.

Luego, a fines del siglo XIX, el físico teórico alemán Max Planck lanzó una llave inglesa en todo cuando estudió la radiación del cuerpo negro . Para explicar sus observaciones, propuso que la luz solo se puede emitir en pequeños fragmentos discretos. Unos años más tarde, Albert Einstein puso todo su empeño en estudiar el efecto fotoeléctrico y propuso que la luz no solo se emite en pequeños trozos, sino que la luz misma está formada por pequeños paquetes de energía llamados fotones . En otras palabras, la luz se comportaba como una partícula en estos experimentos.

Entonces, diferentes tipos de experimentos físicos estaban revelando diferentes tipos de propiedades de la luz. A veces, la luz actúa como una onda y, a veces, la luz actúa como una partícula. Cual fue La respuesta es que son ambos. Y se pone aún peor.

La materia es una onda … y una partícula

En la década de 1920, un joven físico llamado Louis de Broglie hizo una sugerencia radical: dado que la luz tiene energía, impulso y longitud de onda, y la materia tiene energía e impulso, tal vez la materia también tenga una longitud de onda. Eso es algo que es fácil de decir pero difícil de entender. ¿Qué significa que la materia tenga una longitud de onda? ¿O de Broglie estaba terriblemente equivocado?

Resulta que De Broglie lo acertó. A primera vista, es posible que se pregunte cómo los electrones pueden ser cualquier cosa menos partículas, porque literalmente puede sostenerlos en su mano y rebotan mucho. Cuando disparas electrones a través de dos rendijas, terminas con exactamente el mismo patrón de interferencia que tienes con las luces: franjas verticales alternas de más y menos electrones.

¿Qué pasa? Los electrones actúan como ondas cuando no se parecen en nada a las ondas. ¿Qué está haciendo el saludo?

La respuesta llega a través de la mecánica cuántica , y describir esa respuesta implica interpretar algunas de las matemáticas profundas. La imagen más común, llamada interpretación de Copenhague , dice que la onda que asociamos con la materia es una onda de probabilidad que representa todos los lugares posibles donde podría estar una partícula la próxima vez que la busquemos. Este rango de probabilidad se describe mediante una ecuación que tiene los mismos esquemas matemáticos que cualquier otra ecuación de onda. En esta imagen, eso es lo que está agitando: los posibles lugares en los que podría estar la partícula.

Entonces, cuando los electrones pasan a través de las rendijas en el experimento de De Broglie, no pueden decidir exactamente dónde quieren estar. Esas olas de incertidumbre chocan entre sí e interfieren, fusionándose y anulándose como cualquier otra ola. Luego, cuando la onda de un electrón golpea la pantalla trasera, la partícula finalmente tiene que decidir dónde aterrizar. Lentamente, electrón a electrón, el patrón de ondas se acumula.

Al igual que la luz, a veces la materia actúa como una partícula y, a veces, como una onda. Entonces, ¿la luz y la materia están formadas por ondas o partículas? La respuesta es ambas cosas.