By: Ethan Siegel
“¿Es una onda o es una partícula?” Nunca una pregunta tan simple tuvo una respuesta tan complicada como en el reino cuántico. La respuesta, quizás aterradora, depende de cómo hagas la pregunta. Pasa un haz de luz a través de dos rendijas y actúa como una onda. Dispara ese mismo haz de luz a una placa conductora de metal y actúa como una partícula. En las condiciones apropiadas, podemos medir el comportamiento de los fotones en forma de onda o de partícula, el cuanto fundamental de la luz, lo que confirma la naturaleza dual y muy extraña de la realidad.
Esta naturaleza dual de la realidad no se limita solo a la luz, sino que se ha observado que se aplica a todas las partículas cuánticas: electrones, protones, neutrones, incluso colecciones significativamente grandes de átomos. De hecho, si podemos definirlo, podemos cuantificar qué tan “ondulatoria” es una partícula o un conjunto de partículas. Incluso un ser humano completo, en las condiciones adecuadas, puede actuar como una onda cuántica. (Aunque, buena suerte con la medición de eso). Aquí está la ciencia detrás de lo que todo eso significa.
El debate sobre si la luz se comporta como una onda o una partícula se remonta al siglo XVII, cuando dos figuras titánicas en la historia de la física tomaron posiciones opuestas sobre el tema. Por un lado, Isaac Newton planteó una teoría “corpuscular” de la luz, donde se comportaba de la misma manera que lo hacían las partículas: moviéndose en línea recta (rayos) y refractando, reflejando y transportando impulso como lo haría cualquier otro tipo de material. . Newton pudo predecir muchos fenómenos de esta manera y pudo explicar cómo la luz blanca estaba compuesta de muchos otros colores.
Por otro lado, Christiaan Huygens favoreció la teoría ondulatoria de la luz, señalando características como la interferencia y la difracción, que son inherentemente ondulatorias. El trabajo de Huygens sobre las ondas no pudo explicar algunos de los fenómenos que sí pudo explicar la teoría corpuscular de Newton, y viceversa. Sin embargo, las cosas comenzaron a ponerse más interesantes a principios del siglo XIX, cuando nuevos experimentos comenzaron a revelar verdaderamente las formas en que la luz era intrínsecamente similar a una onda.
Si toma un tanque lleno de agua y crea ondas en él, y luego coloca una barrera con dos “ranuras” que permiten que las ondas de un lado pasen al otro, notará que las ondas interfieren entre sí. . En algunos lugares, las ondas se sumarán, creando ondas de mayor magnitud que lo que permitiría una sola onda. En otros lugares, las ondas se anulan entre sí, dejando el agua perfectamente plana incluso cuando pasan las ondas. Esta combinación de un patrón de interferencia, con regiones alternas de interferencia constructiva (aditiva) y destructiva (sustractiva), es un sello distintivo del comportamiento de las ondas.
Ese mismo patrón ondulatorio aparece para la luz, como lo notó por primera vez Thomas Young en una serie de experimentos realizados hace más de 200 años. En los años siguientes, los científicos comenzaron a descubrir algunas de las propiedades ondulatorias de la luz más contrarias a la intuición, como un experimento en el que la luz monocromática brilla alrededor de una esfera, creando no solo un patrón similar a una onda en el exterior de la esfera, sino también un pico central en el medio de la sombra también.
Más tarde, en el siglo XIX, la teoría del electromagnetismo de Maxwell nos permitió derivar una forma de radiación sin carga: una onda electromagnética que viaja a la velocidad de la luz. Por fin, la onda de luz tenía una base matemática en la que era simplemente una consecuencia de la electricidad y el magnetismo, un resultado inevitable de una teoría autoconsistente. Fue pensando en estas ondas de luz que Einstein pudo idear y establecer la teoría especial de la relatividad. La naturaleza ondulatoria de la luz era una realidad fundamental del Universo.
Pero no era universal. La luz también se comporta como una partícula cuántica en varias formas importantes.
- Su energía se cuantifica en paquetes individuales llamados fotones, donde cada fotón contiene una cantidad específica de energía.
- Los fotones por encima de cierta energía pueden ionizar electrones de los átomos; los fotones por debajo de esa energía, sin importar cuál sea la intensidad de esa luz, no pueden.
- Y que es posible crear y enviar fotones individuales, uno a la vez, a través de cualquier aparato experimental que podamos diseñar.
Esos desarrollos y realizaciones, cuando se sintetizaron juntos, condujeron a posiblemente la demostración más alucinante de “rareza” cuántica de todas.
Si toma un fotón y lo dispara a una barrera que tiene dos rendijas, puede medir dónde ese fotón golpea una pantalla a una distancia significativa del otro lado. Si comienza a sumar estos fotones, uno a la vez, comenzará a ver emerger un patrón: un patrón de interferencia. El mismo patrón que surgió cuando teníamos un haz de luz continuo, donde asumimos que muchos fotones diferentes interferían entre sí, surge cuando disparamos fotones uno a la vez a través de este aparato. De alguna manera, los fotones individuales están interfiriendo consigo mismos.
Normalmente, las conversaciones se desarrollan en torno a este experimento al hablar sobre las diversas configuraciones experimentales que puede hacer para intentar medir (o no medir) qué rendija atraviesa el fotón, destruyendo o manteniendo el patrón de interferencia en el proceso. Esa discusión es una parte vital de la exploración de la naturaleza dual de los cuantos, ya que se comportan como ondas y partículas dependiendo de cómo interactúes con ellos. Pero podemos hacer algo más que es igualmente fascinante: reemplazar los fotones en el experimento con partículas masivas de materia.
Su pensamiento inicial podría ser algo así como, “bueno, bueno, los fotones pueden actuar como ondas y partículas, pero eso es porque los fotones son cuantos de radiación sin masa. Tienen una longitud de onda, lo que explica el comportamiento de onda, pero también tienen una cierta cantidad de energía que transportan, lo que explica el comportamiento de partícula”. Y por lo tanto, podrías esperar que estas partículas de materia siempre actúen como partículas, ya que tienen masa, transportan energía y, bueno, ¡se las define literalmente como partículas!
Pero a principios de la década de 1920, el físico Louis de Broglie tuvo una idea diferente. Para los fotones, señaló, cada cuanto tiene una energía y un momento, que están relacionados con la constante de Planck, la velocidad de la luz y la frecuencia y longitud de onda de cada fotón. Cada cuanto de materia también tiene una energía y un momento, y también experimenta los mismos valores de la constante de Planck y la velocidad de la luz. Al reorganizar los términos exactamente de la misma manera que se escribirían para los fotones, De Broglie pudo definir una longitud de onda tanto para los fotones como para las partículas de materia: la longitud de onda es simplemente la constante de Planck dividida por el momento de la partícula.
Las definiciones matemáticas son buenas, por supuesto, pero la verdadera prueba de las ideas físicas siempre proviene de experimentos y observaciones: tienes que comparar tus predicciones con las pruebas reales del Universo mismo. En 1927, Clinton Davisson y Lester Germer dispararon electrones a un objetivo que produjo difracción para los fotones y resultó el mismo patrón de difracción. Contemporáneamente. George Paget disparó electrones a láminas metálicas delgadas, produciendo también patrones de difracción. De alguna manera, los propios electrones, en definitiva partículas de materia, también se comportaban como ondas.
Experimentos posteriores han revelado este comportamiento ondulatorio para muchas formas diferentes de materia, incluidas formas que son significativamente más complicadas que el electrón puntual. Las partículas compuestas, como los protones y los neutrones, también muestran este comportamiento ondulatorio. Los átomos neutros, que pueden enfriarse a temperaturas de nanokelvin, han demostrado longitudes de onda de De Broglie que son más grandes que una micra: unas diez mil veces más grandes que el propio átomo. Se ha demostrado que incluso las moléculas con hasta 2000 átomos muestran propiedades similares a las ondas.
En la mayoría de las circunstancias, el momento de una partícula típica (o sistema de partículas) es lo suficientemente grande como para que la longitud de onda efectiva asociada con ella sea demasiado pequeña para medirla. Una partícula de polvo que se mueve a solo 1 milímetro por segundo tiene una longitud de onda de alrededor de 10 a 21 metros: unas 100 veces más pequeña que las escalas más pequeñas que la humanidad haya probado en el Gran Colisionador de Hadrones.
Para un ser humano adulto que se mueve a la misma velocidad, nuestra longitud de onda es minúscula de 10 a 32 metros, o solo unos cientos de veces más grande que la escala de Planck: la escala de longitud en la que la física deja de tener sentido. Sin embargo, incluso con una masa macroscópica enorme, y unos 10 28 átomos que componen un humano adulto, la longitud de onda cuántica asociada con un humano completamente formado es lo suficientemente grande como para tener un significado físico. De hecho, para la mayoría de las partículas reales, solo dos cosas determinan su longitud de onda:
- tu masa de descanso,
- y qué tan rápido te estás moviendo.
En general, eso significa que hay dos cosas que puedes hacer para convencer a las partículas de materia para que se comporten como ondas. Una es que puede reducir la masa de las partículas al valor más pequeño posible, ya que las partículas de menor masa tendrán longitudes de onda de De Broglie más grandes y, por lo tanto, comportamientos cuánticos a mayor escala (y más fáciles de observar). Pero otra cosa que puedes hacer es reducir la velocidad de las partículas con las que estás tratando. Las velocidades más lentas, que se logran a temperaturas más bajas, se traducen en valores de momento más pequeños, lo que significa longitudes de onda de De Broglie más grandes y, nuevamente, comportamientos cuánticos a mayor escala.
Esta propiedad de la materia abre una nueva y fascinante área de tecnología factible: la óptica atómica. Mientras que la mayoría de las imágenes que realizamos se realizan estrictamente con la óptica, es decir, la luz, podemos usar haces atómicos de movimiento lento para observar estructuras a nanoescala sin alterarlas de la forma en que lo harían los fotones de alta energía. A partir de 2020, existe un subcampo completo de la física de la materia condensada dedicado a los átomos ultrafríos y al estudio y aplicación de su comportamiento ondulatorio.
Hay muchas actividades en la ciencia que parecen tan esotéricas que a la mayoría de nosotros nos cuesta imaginar cómo se volverían útiles. En el mundo de hoy, muchos esfuerzos fundamentales: para nuevos máximos en las energías de las partículas; para nuevas profundidades en astrofísica; para nuevas bajas de temperatura— parecen ejercicios puramente intelectuales. Y, sin embargo, muchos avances tecnológicos que hoy damos por sentado fueron imprevistos para quienes sentaron las bases científicas.
Heinrich Hertz, quien creó y envió ondas de radio por primera vez, pensó que simplemente estaba confirmando la teoría electromagnética de Maxwell. Einstein nunca imaginó que la relatividad podría habilitar los sistemas GPS. Los fundadores de la mecánica cuántica nunca consideraron los avances en computación o la invención del transistor. Pero hoy, estamos absolutamente seguros de que cuanto más nos acerquemos al cero absoluto, más avanzará todo el campo de la óptica atómica y la nanoóptica. Tal vez, algún día, incluso seremos capaces de medir los efectos cuánticos para seres humanos completos. Sin embargo, antes de ofrecerte como voluntario, ¡podrías estar más feliz de poner a prueba a un humano congelado criogénicamente!
