¿De qué está hecha la luz? La dualidad partícula-onda explica cómo se comporta la luz
Tanto en la ciencia como en el entretenimiento oímos hablar de la dualidad partícula-onda, pero ¿qué significa?
¿De qué está hecha la luz? Ésta es una pregunta que comenzó a plantearse hace siglos, cuando los físicos empezaron a investigar la naturaleza de la luz. Uno de los descubrimientos más importantes fue cuando los experimentos demostraron que la luz tenía una velocidad constante independientemente de la velocidad o dirección del observador. Esto supuso un punto de inflexión para que Albert Einstein diera un paso más hacia la comprensión de la luz.
Quizá uno de los descubrimientos que más llamó la atención de los físicos fue que la luz podía comportarse de dos maneras: como onda o como partícula. Ambas formas podían describir propiedades de la luz dependiendo del experimento utilizado, o a veces sólo una de las dos. Este fenómeno se conoció como dualidad partícula-onda.
La dualidad partícula-onda no se limita a la luz y otros componentes de la Mecánica Cuántica tienen un comportamiento similar. Esto ya se ha observado en el electrón, el neutrón y casi todas las partículas descritas en el Modelo Estándar. Y cómo esto condujo al Premio Nobel de Albert Einstein
Mecánica cuántica
El área de la Física que estudia el mundo atómico se llama Mecánica Cuántica. El área llama mucho la atención porque tiene conceptos complicados que no encajan en el mundo macroscópico en el que vivimos. Uno de ellos es la propia dualidad partícula-onda, así como un efecto como la incertidumbre de Heisenberg que dice que no podemos conocer el momento y la posición de la partícula al mismo tiempo.
Algunos conceptos de la mecánica cuántica, como el Gato de Schrödinger, se utilizan a menudo en películas y series. Otro concepto que también llama la atención es la dualidad partícula-onda que explica el comportamiento de los componentes del Modelo Estándar. El Modelo Estándar engloba todas las partículas e interacciones de la naturaleza, excepto la gravitatoria.
Efecto fotoeléctrico
El principal fenómeno que hay que comprender para explicar la dualidad partícula-onda es el efecto fotoeléctrico. Este efecto fue explicado por Albert Einstein en 1905 y fue el trabajo por el que ganó el Premio Nobel de Física en 1921. El físico explicó el efecto describiendo la luz como partículas llamadas fotones que tienen una energía relacionada con su longitud de onda.
Cuando se emite luz sobre una superficie metálica, los fotones pueden chocar con los electrones y transferir su energía. Si la energía del fotón es lo suficientemente alta como para hacer que el electrón escape de la superficie metálica, éste será emitido. Esta es una descripción que utiliza la luz y los electrones como partículas que pueden colisionar.
De Broglie
En 1924, el físico Louis De Broglie propuso en su tesis doctoral que todas las partículas tenían una dualidad partícula-onda. Estas partículas tenían propiedades de onda y propiedades de partícula, aunque sólo se las conociera como partículas. De Broglie presentó una relación que conectaba ambas propiedades.
Según De Broglie, la longitud de onda asociada a una partícula es igual a la constante de Planck dividida por el momento de la partícula. Cuanto menor sea el momento de la partícula, mayor será la longitud de onda asociada a ella. Ésta es una de las razones por las que los objetos del mundo macroscópico no se observan como ondas.
Experimento de doble rendija
El experimento de la doble rendija fue otro hito importante en la descripción de la naturaleza dual de las partículas subatómicas. La idea que subyace al experimento es relativamente sencilla: se lanza un haz de luz a través de dos rendijas y choca contra una pantalla situada detrás de las rendijas. Lo interesante es que en la pantalla se observa un patrón de interferencia que muestra cómo las partículas se han comportado como ondas.
Este experimento se ha probado con fotones y con electrones. Lo curioso es que al utilizar instrumentos para observar qué electrón pasa por cada rendija, ya no se observa el patrón de interferencia. Las partículas vuelven a tener propiedades de partícula debido a la influencia presente durante la observación.
La dualidad partícula-onda en la ciencia
La dualidad partícula-onda es esencial para explicar fenómenos como el entrelazamiento cuántico y otras propiedades de la mecánica cuántica. Llama la atención porque es algo que escapa a la comprensión de nuestro mundo clásico, donde algo no puede ser dos cosas al mismo tiempo.