nuestra noción de realidad se basa en experiencias cotidianas. Pero la dualidad onda-partícula es tan extraña que nos vemos obligados a reexaminar nuestras concepciones comunes.
la dualidad onda-partícula se refiere a la propiedad fundamental de la materia donde, en un momento aparece como una onda, y sin embargo, en otro momento actúa como una partícula.
para entender la dualidad onda-partícula vale la pena mirar las diferencias entre partículas y ondas.
todos estamos familiarizados con las partículas, ya sean mármoles, granos de arena, sal en un salero, átomos, electrones, etc.
Las propiedades de las partículas puede ser demostrado con un mármol. El mármol es un bulto esférico de vidrio ubicado en algún punto del espacio. Si golpeamos la canica con nuestro dedo, le impartimos energía – Esta es energía cinética, y la canica en movimiento toma esta energía con ella., Un puñado de canicas lanzadas al aire se estrellan, cada canica impartiendo energía donde golpea el suelo.
En contraste, las ondas se propagan. Ejemplos de olas son los grandes rodillos en el mar abierto, las ondas en un estanque, las ondas de sonido y las ondas de luz.
si en un momento la ola está localizada, algún tiempo después se habrá extendido sobre una gran región, como las ondas cuando dejamos caer un guijarro en un estanque., La onda lleva consigo energía relacionada con su movimiento. A diferencia de la partícula, la energía se distribuye sobre el espacio porque la onda se extiende.
por qué las ondas son tan diferentes de las partículas
Las partículas que chocan rebotarán entre sí, pero las ondas que chocan pasan entre sí y emergen sin cambios. Pero las ondas superpuestas pueden interferir-donde un canal se superpone a una cresta, la onda puede desaparecer por completo.
esto se puede ver cuando partes de una onda pasan a través de agujeros muy espaciados en una pantalla. Las ondas se extienden en todas direcciones e interfieren, llevando a regiones en el espacio donde la onda desaparece y regiones donde se hace más fuerte.,
la imagen de la izquierda muestra un ejemplo del experimento de doble rendija inventado por el erudito inglés Thomas Young. Este fenómeno se llama difracción.
en contraste, una canica lanzada a la pantalla rebota o va directamente a través de uno de los agujeros. En el otro lado de la pantalla, la canica se encuentra viajando en una de dos direcciones, dependiendo del agujero por el que pasó.
Wave adiós a las ondas
el fenómeno de la difracción es una propiedad bien conocida de las ondas de luz., Pero a principios del siglo 20, se encontró un problema con las teorías de las ondas de luz emitidas por objetos calientes, como las brasas calientes en un fuego o la luz del sol.
Esta luz se llama radiación de cuerpo negro. Estas teorías siempre predicen energía infinita para la luz emitida más allá del extremo azul del espectro – la catástrofe ultravioleta.,
La respuesta fue asumir que la energía de las ondas de luz no era continua sino que venía en cantidades fijas, como si estuviera compuesta de un gran número de partículas, como nuestro puñado de canicas. Así que surgió la idea de que las ondas de luz actúan como partículas, estas partículas se llaman fotones.
si la luz, que pensamos que era como una onda, también se comporta como una partícula, ¿podría ser que objetos como electrones y átomos, que son como partículas, puedan comportarse como ondas?
para explicar la estructura y el comportamiento de los átomos se pensó necesario asumir que las partículas tienen propiedades ondulatorias., Si esto es cierto, una partícula debe difractarse a través de un par de agujeros estrechamente espaciados, al igual que una onda.
difracción de electrones y átomos
Los experimentos demostraron que las partículas atómicas actúan como ondas. Cuando disparamos electrones a un lado de una pantalla con dos agujeros muy espaciados y medimos la distribución de electrones en el otro lado, no vemos dos picos, uno para cada agujero, sino un patrón de difracción completo, como si hubiéramos estado usando ondas.
Este es otro ejemplo del experimento de hendidura de Young que mostramos arriba, pero esta vez usando ondas de electrones., Estas nociones forman la base de la teoría cuántica, tal vez la teoría más exitosa que los científicos han desarrollado.
lo extraño del experimento de difracción es que la onda de electrones no deposita energía sobre toda la superficie del detector, como es de esperar con una ola estrellándose en la orilla.
la energía del electrón se deposita en un punto, como si fuera una partícula. Así que mientras el electrón se propaga a través del espacio como una onda, interactúa en un punto como una partícula. Esto se conoce como dualidad onda-partícula.,
se mueve en ondas misteriosas
Si el electrón o fotón se propaga como una onda pero deposita su energía en un punto, ¿Qué pasa con el resto de la onda?
desaparece, de todo el espacio, para nunca ser visto otra vez! De alguna manera, aquellas partes de la onda distantes del punto de interacción saben que la energía se ha perdido y desaparece, instantáneamente.,
Si esto sucediera con las olas del Océano, uno de los surfistas en la ola recibiría toda la energía y en ese momento la ola del Océano desaparecería, a lo largo de la playa. Un surfista estaría disparando a lo largo de la superficie del agua y el resto estaría sentado en calma en la superficie.
esto es lo que sucede con fotones, electrones e incluso ondas atómicas. Naturalmente, este enigma molestó a muchos científicos, Einstein incluido., Es generalmente de barrido debajo de la alfombra y siempre se refiere como «el colapso de la función de onda» en la medición.
cierta incertidumbre
a medida que la onda se propaga, ¿DÓNDE ESTÁ la partícula? Bueno, no estamos seguros. Se encuentra en algún lugar de la región del espacio con una dimensión similar a la distribución de longitudes de onda que definen su onda. Esto se conoce como el principio de incertidumbre de Heisenberg.
para partículas cotidianas comunes, como mármoles, sal y arena, sus longitudes de onda son tan pequeñas que su ubicación se puede medir con precisión., Para los átomos y electrones, esto se vuelve menos claro.
en el experimento de difracción, la longitud de onda del electrón es grande, por lo que la ubicación del electrón es muy incierta. El electrón en realidad viaja a través de ambas rendijas a la vez, al igual que una onda. En términos de partículas, se vuelve imposible para nosotros imaginar realmente esto porque entra en conflicto con la experiencia cotidiana.,
Einstein se preocupó por dónde se encuentra realmente la partícula y decidió que faltaba información en la teoría cuántica. En un célebre artículo sobre variables ocultas, Einstein y sus colegas Nathan Rosen y Boris Podolsky derivaron dos alternativas: o la teoría cuántica estaba equivocada o el problema residía en nuestra noción de la realidad misma.,
una serie de experimentos precisos e inteligentes probaron que la teoría cuántica era correcta y que nuestra noción de realidad es culpable (ver desigualdad de Bell y la paradoja de Einstein, Rosen y Podolsky).
comportamiento fantasmal
pero este no es el final de la historia. Los experimentos que refutaron nuestras nociones de realidad involucraron dos partículas Unidas como una sola onda. Las mediciones en una partícula afectan las propiedades físicas de la otra partícula, a pesar de que pueden estar muy separadas. Esto se conoce como «acción espeluznante a distancia» y es una consecuencia del entrelazamiento cuántico.,
es un concepto muy sutil pero está formando la base de las computadoras cuánticas y la criptografía cuántica!
Entonces, ¿qué tiene de malo la realidad?
en este punto, todo el problema se vuelve muy difícil de entender. Pero no te preocupes demasiado por esto. Como dijo Richard Feynman, Premio Nobel y hombre verdaderamente brillante: «creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica.»
La mayoría de las personas que trabajan en este campo simplemente se acostumbran al concepto y continúan con sus vidas, o se convierten en filósofos.
Y en cuanto a la realidad?,
creo que el profesor Feynman también tiene la última palabra sobre eso: «the la paradoja es solo un conflicto entre la realidad y tu sentimiento de lo que la realidad debería ser.»
Ver más artículos explicativos sobre la conversación.
