Dualidad onda-partícula

¿Cómo aprehender la dualidad
onda-partícula?

El mundo de lo diminuto (mundo de las partículas como el electrón, el fotón, el protón, el átomo, etc.) no es accesible a nuestros órganos de percepción, incluido el cerebro.
Ninguna imagen, ninguna interpretación puede representar la realidad del mundo cuántico, incluso las palabras de nuestro lenguaje son aproximadas para describir los fenómenos cuánticos.
Todo lo que se puede decir y demostrar sobre esta realidad es falso, pero sin embargo intentaré darles una idea de este concepto fundamental de la física cuántica que es la dualidad onda-partícula (este término ya está obsoleto porque habría que hablar sobre campos).
En mecánica cuántica, parece que una partícula es tanto un corpúsculo como una onda, esta no es la única rareza sino las demás (superposición cuántica, entrelazamiento cuántico o incluso no- localidad) derivan de éste.
Lo que nos dice esta afirmación es que cualquier partícula elemental puede ser vista como un cuerpo sólido concreto pero también como una onda lo cual es un concepto abstracto, ahí hay una paradoja.
El estado de una partícula describe todos los aspectos de esa partícula, es decir, el conjunto de conocimientos (velocidad, momento angular, posición, energía, etc.), que podemos obtener sobre la partícula si realizamos medidas experimentales sobre ella.
Así que veamos lo que nos dice el famoso experimento de Young.
El video al lado describe esta experiencia de una manera moderna.

1 - Cuando enviamos corpúsculos (sólidos) sobre una pared con dos rendijas, cada corpúsculo pasa por una u otra rendija, rebota en todas las direcciones y los puntos de impacto marcan la pantalla algo donde, detrás de las ranuras.
2 - Cuando se envía una onda sobre esta misma pared, la onda pasa por las dos rendijas y el paso por las rendijas crea dos pequeñas ondas que se superpondrán, en ciertos lugares se suman y en otros se cancelan, franjas de interferencia aparecen en la pantalla.
3 - Cuando envías un objeto cuántico, pasa por las dos rendijas, interfiere como una onda pero cuando llega a la pantalla, de repente se reduce a un punto, donde las dos pequeñas ondas se suman. Después de un gran número de pruebas, aparecen impactos como corpúsculos y franjas de interferencia como ondas.
4 - Pero si añadimos un observador para saber por qué rendija pasa la partícula, la onda queda ahora reducida a un corpúsculo al nivel de las rendijas y sólo pasa por una rendija a la vez. Luego medimos en la pantalla los puntos de impacto y no de interferencia.
¡El observador modificó la experiencia con su presencia!
Si queremos determinar el estado de un sistema cuántico, debemos observarlo, pero esta observación tiene el efecto de destruir el estado en cuestión.

¿Cómo interpretar esta experiencia?

La escala de la física cuántica es tan pequeña que es imposible ver un objeto cuántico como vemos una ola o un globo en la playa.
Por ejemplo, el tamaño de un átomo de hidrógeno es 53 pm (53 x 10-¹² metro), podemos alinear 10 millones de átomos en un milímetro.
Entonces, ver para un físico no es ver, sino medir o detectar algo en función de las herramientas que ha construido.
El experimento de Young nos muestra que cuando medimos un objeto cuántico cambia su naturaleza. A veces es un corpúsculo, a veces es una onda y además, depende del aparato de medición o del observador.
Lo que también nos dice el experimento de la rendija de Young es que, cuando el objeto cuántico está libre de cualquier entorno, aparece como una onda. Pero si el entorno (pantalla, pared, observador o incluso moléculas de aire) lo obliga a interactuar, el objeto o más bien su energía se reduce repentinamente a un punto y toma la apariencia de un corpúsculo.
Notamos en la pantalla que el frente de onda no se reduce en ninguna parte, se reduce donde la onda es intensa, es decir en las crestas o en los valles. En otras palabras, la probabilidad de reducción es mayor en la parte superior e inferior de la ola que en las pendientes. Es incluso cero donde las ondas están en oposición de fase. Lo más sorprendente es que a lo largo de un gran número de medidas, si enviamos las partículas una a una, al final, a pesar de la reducción del paquete de ondas, obtenemos franjas de interferencia.

Una explicación fue propuesta en 1927 por Max Born (1882 - 1970).
La partícula es una onda de probabilidad.
Esta terrible definición muestra la dificultad que encontramos cuando queremos hablar de objetos cuánticos.
En términos más simples, es la amplitud de una onda en una posición dada lo que predice la probabilidad de que la partícula esté en esa posición. Una amplitud alta no significa que es ahí donde está la partícula, pero es donde es más probable que se encuentre (después de que se reduce el paquete de ondas).
En resumen:
En mecánica cuántica, no podemos saber si la partícula está en un lugar específico del espacio, pero cuál es la probabilidad de que esté allí.
Tendrá una posición solo si tiene que interactuar con el entorno, antes no tiene posición, está en todas partes y su naturaleza es ondulatoria. Exactamente como un fotón emitido por una estrella. Aunque ha viajado libremente durante millones de años, morirá como una ola al llegar a tu retina, con la que interactuará.
Las ecuaciones mecánicas cuánticas resultan ser sorprendentemente precisas una vez que aceptas que son probabilidades.
Toda la materia que compone el universo (estrellas, planetas, tú, yo) está compuesta de átomos y partículas subatómicas gobernadas por la probabilidad, no por la certeza.

Imagen: En esta imagen de unas 5 millonésimas de milímetro podemos contar 48 átomos de hierro que se comportan como ondas.
En realidad, no vemos átomos sino la representación pictórica en el visible que el ojo puede interpretar, a partir de la medición de corrientes eléctricas muy pequeñas que pasan por la punta de un microscopio de efecto túnel que se mueve sobre los átomos.
© IBM Almaden Visualization Lab