El principio de dualidad onda-partícula de física cuántica sostiene que la materia y la luz exhiben los comportamientos de las ondas y las partículas, dependiendo de las circunstancias del experimento. Es un tema complejo pero entre los más interesantes en física.
Dualidad onda-partícula en luz
En el siglo XVII, Christiaan Huygens y Isaac Newton propuso teorías competitivas para el comportamiento de la luz. Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz, mientras que la de Newton era una teoría de la luz "corpuscular" (partícula). La teoría de Huygens tenía algunos problemas para hacer coincidir la observación y el prestigio de Newton ayudó a apoyar su teoría, por lo que, durante más de un siglo, la teoría de Newton fue dominante.
A principios del siglo XIX, surgieron complicaciones para la teoría corpuscular de la luz. Difracción se había observado, por un lado, que tenía problemas para explicar adecuadamente. Experimento de doble rendija de Thomas Young resultó en un comportamiento de onda obvio y parecía apoyar firmemente la teoría ondulatoria de la luz sobre la teoría de partículas de Newton.
Una ola generalmente tiene que propagarse a través de un medio de algún tipo. El medio propuesto por Huygens había sido éter luminífero (o en terminología moderna más común, éter). Cuando James Clerk Maxwell cuantificó un conjunto de ecuaciones (llamado Las leyes de Maxwell o Ecuaciones de Maxwell) para explicar radiación electromagnética (incluso luz visible) como la propagación de ondas, asumió tal éter como medio de propagación, y sus predicciones fueron consistentes con los resultados experimentales.
El problema con la teoría de las ondas era que nunca se había encontrado ese éter. No solo eso, sino que las observaciones astronómicas en aberración estelar por James Bradley en 1720 habían indicado que el éter tendría que ser estacionario en relación con una Tierra en movimiento. A lo largo de 1800, se hicieron intentos para detectar el éter o su movimiento directamente, culminando en el famoso Experimento de Michelson-Morley. Todos fallaron en detectar el éter, lo que resultó en un gran debate cuando comenzó el siglo XX. ¿Era la luz una ola o una partícula?
En 1905 Albert Einstein publicó su artículo para explicar el efecto fotoeléctrico, que propuso que la luz viajara como paquetes discretos de energía. La energía contenida dentro de un fotón estaba relacionada con la frecuencia de la luz. Esta teoría llegó a ser conocida como la teoría de los fotones de luz (aunque la palabra fotón no fue acuñada hasta años después).
Con los fotones, el éter ya no era esencial como medio de propagación, aunque todavía dejaba la extraña paradoja de por qué se observaba el comportamiento de las olas. Aún más peculiares fueron las variaciones cuánticas del experimento de doble rendija y el Efecto Compton lo que pareció confirmar la interpretación de la partícula.
A medida que se realizaban experimentos y se acumulaban pruebas, las implicaciones se hicieron claras y alarmantes rápidamente:
La luz funciona como una partícula y una onda, dependiendo de cómo se realice el experimento y de cuándo se hagan las observaciones.
Dualidad onda-partícula en la materia
La cuestión de si esa dualidad también apareció en la materia fue abordada por los audaces hipótesis de de Broglie, que extendió el trabajo de Einstein para relacionar la longitud de onda observada de la materia con su impulso. Los experimentos confirmaron la hipótesis en 1927, lo que resultó en un Premio Nobel de 1929 por de Broglie.
Al igual que la luz, parecía que la materia exhibía propiedades de onda y partículas en las circunstancias correctas. Obviamente, los objetos masivos exhiben longitudes de onda muy pequeñas, de hecho tan pequeñas que no tiene sentido pensar en ellas de forma ondulada. Pero para objetos pequeños, la longitud de onda puede ser observable y significativa, como lo demuestra el experimento de doble rendija con electrones.
Importancia de la dualidad onda-partícula
El mayor significado de la dualidad onda-partícula es que todo comportamiento de la luz y la materia puede ser explicado mediante el uso de una ecuación diferencial que representa una función de onda, generalmente en la forma del Ecuación de Schrodinger. Esta capacidad de describir la realidad en forma de ondas está en el corazón de la mecánica cuántica.
La interpretación más común es que la función de onda representa la probabilidad de encontrar una partícula dada en un punto dado. Estas ecuaciones de probabilidad pueden diframar, interferir y exhibir otras propiedades de onda, lo que resulta en una función de onda probabilística final que también exhibe estas propiedades. Las partículas terminan distribuidas de acuerdo con las leyes de probabilidad y, por lo tanto, exhiben el propiedades de onda. En otras palabras, la probabilidad de que una partícula esté en cualquier ubicación es una onda, pero la apariencia física real de esa partícula no lo es.
Si bien las matemáticas, aunque son complicadas, hacen predicciones precisas, el significado físico de estas ecuaciones es mucho más difícil de comprender. El intento de explicar qué "realmente significa" la dualidad onda-partícula es un punto clave de debate en la física cuántica. Existen muchas interpretaciones para tratar de explicar esto, pero todas están unidas por el mismo conjunto de ecuaciones de onda... y, en última instancia, debe explicar las mismas observaciones experimentales.
Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph. D.