Ondas y Partículas: Una Dualidad Insondable

Entre Ondas y Partículas: El Misterio de la Dualidad — Esta imagen, realizada en 1993 por los investigadores Don Eigler y Lutz Crommie, muestra un «corral cuántico»: 48 átomos de hierro dispuestos en círculo, a una escala de unas pocas millonésimas de milímetro (5×10^-9 m). No se trata de una fotografía en sentido estricto, sino de una representación traducida a colores visibles, para que nuestro cerebro pueda interpretarla. Se obtuvo midiendo las muy débiles corrientes eléctricas que atraviesan la punta de un microscopio de efecto túnel (STM) durante su barrido sobre los átomos.
Fuente de la imagen: IBM Almaden Visualization Lab (nueva ventana)

Resumen científico

El artículo de Astronoo presenta la dualidad onda-partícula, un concepto fundamental de la física cuántica según el cual toda partícula se comporta a la vez como una onda y como un corpúsculo. A través del experimento de las rendijas de Young, el artículo muestra que la observación modifica la naturaleza del objeto cuántico: libre de toda interacción, se manifiesta como una onda, pero en cuanto interactúa con el entorno, se reduce a un punto. El artículo explica también la interpretación probabilística de Max Born, donde la amplitud de la onda predice la probabilidad de presencia de la partícula. Esta dualidad sigue siendo hoy un enigma conceptual mayor.

¿Qué es la dualidad onda-partícula y por qué desafía nuestra intuición?

Este artículo está dedicado a la dualidad onda-partícula, uno de los conceptos más desconcertantes de la física cuántica. Pero ¿qué es la dualidad onda-partícula y por qué desafía nuestra intuición? La respuesta reside en el hecho de que los objetos cuánticos, como el electrón o el fotón, no se comportan ni como partículas clásicas ni como ondas clásicas. Existen en una superposición de estados, descrita por una función de onda. Cuando están libres de toda interacción, se manifiestan como ondas capaces de interferir. Pero en cuanto interactúan con un aparato de medida o el entorno, se reducen a un punto, como un corpúsculo. El experimento de las rendijas de Young ilustra perfectamente este fenómeno: sin observación, aparecen franjas de interferencia; con observación, las franjas desaparecen. Max Born propuso una interpretación probabilística: la amplitud de la onda predice la probabilidad de encontrar la partícula en un lugar dado. La dualidad onda-partícula no es, por tanto, una verdadera dualidad, sino una manifestación de la naturaleza profunda del mundo cuántico, donde la propia noción de representación clásica pierde su sentido.

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La inaccesibilidad del mundo cuántico

El mundo de las partículas como el electrón, el fotón, el protón, el átomo, no es accesible a nuestros órganos de la percepción, incluido el cerebro. Ninguna imagen, ninguna interpretación podría representar lo real 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 voy a intentar darle una idea de este concepto fundamental de la física cuántica que es la dualidad onda-partícula, aunque este término está hoy obsoleto porque habría que hablar de campos.

La superposición de estados

En mecánica cuántica, se oye a menudo 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 moderna de una partícula cuántica

La definición técnica dice lo siguiente: Una partícula cuántica es una entidad fundamental que representa una cuantificación de energía y de 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 cuantificada de un campo fundamental descrita por la mecánica cuántica y las teorías de campos cuánticos.

Descripción moderna del experimento llamado de las rendijas de Young.

El dispositivo experimental

Interpretación moderna de la dualidad onda-partícula del sitio Tout est quantique (nueva ventana).

Los cuatro comportamientos observados

Cuando se envían corpúsculos (sólidos) sobre un muro perforado con dos rendijas, cada corpúsculo pasa por una u otra rendija, rebota en todas direcciones y los puntos de impacto marcan la pantalla un poco al azar, detrás de las rendijas.
Cuando se envía una onda sobre este mismo muro, la onda pasa por las dos rendijas y el paso por las rendijas crea dos pequeñas olas que se superponen, en ciertos lugares se suman y en otros se anulan, aparecen franjas de interferencia en la pantalla.
Cuando se envía un objeto cuántico, pasa por las dos rendijas, interfiere como una onda pero cuando toca la pantalla, se reduce súbitamente a un punto, más bien donde las dos pequeñas ondas se suman. Al cabo de un gran número de ensayos aparecen a la vez impactos como con los corpúsculos y franjas de interferencia como con las ondas.
Pero si se añade un observador para saber por qué rendija pasa la partícula, la onda se reduce ahora a un corpúsculo a nivel de las rendijas y solo pasa por una rendija a la vez. Se mide entonces en la pantalla puntos de impacto y no interferencias.

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

Cuando la materia danza: la dualidad onda-corpúsculo descifrada

La escala cuántica

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

La observación y la reducción del paquete de ondas

El experimento de Young nos muestra que cuando se mide un objeto cuántico, cambia su naturaleza. A veces es un corpúsculo, a veces una onda y además, depende del aparato de medida o del observador.

Lo que también nos dice el experimento de las rendijas de Young es que, cuando el objeto cuántico está libre de todo entorno, se presenta como una onda. Pero si el entorno (pantalla, muro, observador o incluso moléculas de aire) le obliga a interactuar, el objeto o más bien su energía se reduce súbitamente a un punto y toma la apariencia de un corpúsculo.

Se observa 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 los valles. En otras palabras, la probabilidad de reducción es mayor en la parte alta y baja de la ola que en las pendientes. Es incluso nula en el lugar donde las olas están en oposición de fase.

Si se envían las partículas una por una, lo más asombroso es que sobre un gran número de medidas, al final, a pesar de la reducción del paquete de ondas, se obtienen franjas de interferencia.

La onda de probabilidad de Max Born

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 se encuentra cuando se quiere hablar de objetos cuánticos.

En términos más simples, es la amplitud de una onda en una posición dada la que predice la probabilidad de que la partícula se encuentre en esa posición. Una amplitud elevada no significa que sea ahí donde se encuentra la partícula, pero es ahí donde tenemos más probabilidades de encontrarla (después de la reducción del paquete de ondas).

Lo que hay que recordar

La naturaleza probabilística del mundo cuántico

En mecánica cuántica, no se puede saber si la partícula se encuentra en un punto preciso del espacio, sino cuál es la probabilidad de que se encuentre allí. Tendrá una posición solo si debe 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. Mientras ha viajado libremente durante millones de años, como una onda, morirá al alcanzar su retina, con la cual interactuará.

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

Referencias

FAQ: Todo lo que hay que saber sobre la dualidad onda-partícula

¿Qué es la dualidad onda-partícula?

La dualidad onda-partícula es un concepto fundamental de la física cuántica según el cual toda partícula (electrón, fotón, átomo, etc.) presenta a la vez propiedades de onda y de corpúsculo. Este concepto fue introducido por Louis de Broglie en 1924 y confirmado experimentalmente por el experimento de las rendijas de Young. No se trata de una verdadera dualidad, sino más bien de una superposición de estados descrita por una función de onda.

¿Por qué la observación modifica el comportamiento de una partícula cuántica?

La observación de una partícula cuántica implica una interacción con el entorno (fotones, moléculas de aire, aparato de medida). Esta interacción provoca la reducción del paquete de ondas, un proceso irreversible que hace pasar la partícula de un estado superpuesto a un estado localizado. Es lo que se llama el problema de la medida en mecánica cuántica.

¿Qué es el experimento de las rendijas de Young?

El experimento de las rendijas de Young consiste en enviar partículas (electrones, fotones, etc.) a través de dos rendijas estrechas. Cuando no se hace ninguna observación, las partículas crean franjas de interferencia en la pantalla, características de un comportamiento ondulatorio. Si se observa por qué rendija pasa la partícula, las franjas desaparecen y se observan impactos puntuales, como corpúsculos.

¿Qué es una onda de probabilidad?

La onda de probabilidad es una interpretación propuesta por Max Born en 1927. Según esta interpretación, la amplitud de la función de onda en una posición dada predice la probabilidad de encontrar la partícula en ese lugar. Una amplitud elevada significa una fuerte probabilidad de presencia, pero no una certeza. Es una de las bases de la mecánica cuántica moderna.

¿Sigue siendo válida hoy la dualidad onda-partícula?

El término «dualidad onda-partícula» se considera hoy obsoleto. Los físicos prefieren hablar de campos cuánticos y de excitaciones cuantificadas. En el marco de la teoría cuántica de campos, una partícula es una excitación de un campo fundamental, que puede manifestarse bajo diferentes aspectos según cómo se observe.

¿Cómo describe la mecánica cuántica una partícula?

En mecánica cuántica, una partícula se describe mediante un vector de estado en un espacio de Hilbert. Su evolución está regida por la ecuación de Schrödinger. La partícula no tiene una posición definida antes de la medida; está en una superposición de estados. Las probabilidades de medida vienen dadas por el cuadrado de la amplitud de la función de onda.