El principio de dualidad onda-partícula de la física cuántica sostiene que la materia y la luz exhiben el comportamiento de ondas y partículas, dependiendo de las circunstancias del experimento. Es un tema complejo pero uno de los más intrigantes de la física.
Dualidad onda-partícula en la luz
En el siglo XVII, Christiaan Huygens e Isaac Newton propusieron teorías en competencia sobre el comportamiento de la luz. Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz, mientras que la de Newton era una teoría «corpuscular» (de partículas) de la luz. La teoría de Huygens tenía algunos problemas para igualar la observación y el prestigio de Newton ayudó a respaldar 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. Se había observado difracción, por un lado, que tuvo problemas para explicar adecuadamente. El experimento de doble rendija de Thomas Young resultó en un comportamiento de onda obvio y pareció apoyar firmemente la teoría ondulatoria de la luz sobre la teoría de partículas de Newton.
Una onda generalmente tiene que propagarse a través de algún tipo de medio. El medio propuesto por Huygens había sido el éter luminífero (o en la terminología moderna más común, éter ). Cuando James Clerk Maxwell cuantificó un conjunto de ecuaciones (llamadas leyes de Maxwell o ecuaciones de Maxwell ) para explicar la radiación electromagnética (incluida la luz visible) como la propagación de ondas, asumió tal éter como el medio de propagación, y sus predicciones fueron consistentes con resultados experimentales.
El problema con la teoría de las ondas era que nunca se había encontrado tal éter. No solo eso, sino que las observaciones astronómicas en aberración estelar realizadas por James Bradley en 1720 habían indicado que el éter tendría que estar estacionario en relación con una Tierra en movimiento.
A lo largo de la década de 1800, se intentó detectar el éter o su movimiento directamente, culminando con el famoso experimento de Michelson-Morley. Todos ellos fallaron en detectar realmente el éter, lo que resultó en un gran debate al comienzo del siglo XX. ¿Era la luz una onda o una partícula?
En 1905, Albert Einstein publicó su artículo para explicar el efecto fotoeléctrico, que proponía que la luz viajaba como haces discretos de energía. La energía contenida dentro de un fotón estaba relacionada con la frecuencia de la luz. Esta teoría llegó a conocerse como la teoría fotónica de la luz (aunque la palabra fotón no se acuñó 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 ondas. Aún más peculiares fueron las variaciones cuánticas del experimento de la doble rendija y el efecto Compton que parecían confirmar la interpretación de las partículas.
A medida que se realizaron experimentos y se acumularon pruebas, las implicaciones rápidamente se volvieron claras y alarmantes:La luz funciona como partícula y como onda, dependiendo de cómo se lleve a cabo el experimento y cuándo se hagan las observaciones.
Dualidad onda-partícula en la materia
La cuestión de si tal dualidad también se manifestó en la materia fue abordada por la audaz 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 en 1929 para De Broglie.
Al igual que la luz, parecía que la materia exhibía propiedades tanto de onda como de partícula en las circunstancias adecuadas. Obviamente, los objetos masivos exhiben longitudes de onda muy pequeñas, tan pequeñas de hecho que es bastante inútil pensar en ellos como una onda. 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 el comportamiento de la luz y la materia puede explicarse mediante el uso de una ecuación diferencial que representa una función de onda, generalmente en la forma de la ecuación de Schrodinger. Esta capacidad para 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 determinada en un punto determinado. Estas ecuaciones de probabilidad pueden difractar, interferir y exhibir otras propiedades onduladas, lo que da como resultado 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 las propiedades de onda . En otras palabras, la probabilidad de que una partícula se encuentre en cualquier lugar es una onda, pero la apariencia física real de esa partícula no lo es.
Si bien las matemáticas, aunque complicadas, hacen predicciones precisas, el significado físico de estas ecuaciones es mucho más difícil de comprender. El intento de explicar lo que «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 limitadas por el mismo conjunto de ecuaciones de onda… y, en última instancia, deben explicar las mismas observaciones experimentales.
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