Entre Ondas y Partículas: El Misterio de la Dualidad

Descripción de la imagen: En esta imagen de aproximadamente 5 millonésimas de milímetro (5×10⁻⁹ m) se pueden contar 48 átomos de hierro que se comportan como ondas. Estos no son átomos, sino una representación imaginada en el dominio visible para que el cerebro pueda interpretarla. Esta imagen fue creada gracias a la medición de corrientes eléctricas muy pequeñas que pasan por la punta de un Microscopio de Efecto Túnel que se desplaza sobre los átomos. Fuente de la imagen: IBM Almaden Visualization Lab

Onda y Corpúsculo: El Enigma Que Cambió la Física

El mundo de las partículas como el electrón, el fotón, el protón, el átomo, no es accesible por 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 mostrar de esta realidad es falso, pero aun así intentaré darles una idea de este concepto fundamental de la física cuántica que es la "dualidad onda-corpúsculo", aunque este término hoy está obsoleto porque deberíamos hablar de campos.

En mecánica cuántica, a menudo escuchamos que una partícula es a la vez un corpúsculo y una onda. En realidad, no es ni un corpúsculo ni una onda, sino una superposición de todos los estados de la partícula.

La definición técnica dice lo siguiente: Una partícula cuántica es una entidad fundamental que representa una cuantización de energía e información localizada en el espacio-tiempo, regida por los principios de superposición, entrelazamiento e indeterminismo, y descrita matemáticamente por una función de estado (vector de estado) en un espacio de Hilbert.

En otras palabras, una partícula cuántica que no es ni un corpúsculo ni una onda puede definirse como una excitación cuantizada de un campo fundamental descrita por la mecánica cuántica y las teorías de campos cuánticos.

Descripción Moderna del Experimento Conocido como las Rendijas de Young.

Descripción del video: Interpretación moderna de la dualidad onda-corpúsculo del sitio Tout est quantique.

• Cuando enviamos corpúsculos (sólidos) sobre una pared con dos rendijas, cada corpúsculo pasa por una u otra rendija, rebota en todas direcciones y los puntos de impacto marcan la pantalla de manera bastante aleatoria detrás de las rendijas.
• Cuando enviamos una onda sobre la misma pared, la onda pasa por ambas rendijas y el paso por las rendijas crea dos pequeñas ondas que se superpondrán; en algunos lugares se suman y en otros se anulan, aparecen franjas de interferencia en la pantalla.
• Cuando enviamos un objeto cuántico, pasa por ambas rendijas, interfiere como una onda, pero cuando toca la pantalla, se reduce de repente a un punto, más bien donde las dos pequeñas ondas se suman. Después de un gran número de intentos, aparecen tanto impactos como con corpúsculos como franjas de interferencia como con ondas.
• Pero si añadimos un observador para saber por qué rendija pasa la partícula, la onda ahora se reduce a un corpúsculo a nivel de las rendijas y pasa solo por una rendija a la vez. Entonces medimos puntos de impacto en la pantalla y no interferencias.

N.B.: ¿Cómo interpretar este experimento? Si queremos determinar el estado de un sistema cuántico, debemos observarlo, pero esta observación tiene el efecto de destruir el estado en cuestión.

Cuando la Materia Danza: La Dualidad Onda-Corpúsculo Descifrada

La escala de la física cuántica es tan pequeña que es imposible ver un objeto cuántico como vemos una onda o un globo en una playa. El tamaño de un átomo de hidrógeno es de 53 pm (53 x 10^-12 metros), podemos alinear 10 millones de átomos en un milímetro.

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 dispositivo de medición o del observador.

Lo que también nos dice el experimento de las rendijas de Young es que cuando el objeto cuántico está libre de cualquier entorno, se presenta 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 de repente a un punto y adopta la apariencia de un corpúsculo.

Notamos en la pantalla que el frente de onda no se reduce en cualquier lugar, 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 onda que en las pendientes. Incluso es nula en el lugar donde las ondas están en oposición de fase.

Si enviamos las partículas una por una, lo más sorprendente es que sobre un gran número de mediciones, al final, a pesar de la reducción del paquete de ondas, obtenemos franjas de interferencia.

Se propuso una explicación en 1927 por Max Born (1882 - 1970). La partícula es una Onda de Probabilidad. Esta definición terrible 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 se encuentre en esa posición. Una amplitud alta no significa que ahí es donde se encuentra la partícula, sino que ahí es donde tenemos más probabilidades de encontrarla (después de la reducción del paquete de ondas).

En Resumen

En mecánica cuántica, no podemos saber si la partícula se encuentra en un lugar preciso del espacio, sino cuál es la probabilidad de que se encuentre allí. Tendrá una posición solo si debe interactuar con el entorno; antes de eso, no tiene posición, está en todas partes y su naturaleza es ondulatoria. Exactamente como un fotón emitido por una estrella. Mientras ha viajado libremente durante millones de años como una onda, morirá al alcanzar su retina con la que interactuará.

Las ecuaciones de la mecánica cuántica resultan ser asombrosamente precisas tan pronto como aceptamos que se trata de probabilidad. Toda la materia que constituye el universo (estrellas, planetas, árboles, usted, etc.) está hecha de átomos y partículas subatómicas gobernadas por la probabilidad y no por la certeza.