Dualidad onda-partícula
La dualidad onda-partícula describe la doble naturaleza de la materia y de la radiación: en ciertos experimentos se comportan como partículas discretas, mientras que en otros se manifiestan como ondas capaces de producir interferencia y difracción.
Este principio constituye uno de los fundamentos de la mecánica cuántica: tanto la materia como la radiación exhiben, al mismo tiempo, propiedades ondulatorias y corpusculares.
Fenómenos como la interferencia y la difracción ponen de relieve su carácter ondulatorio, mientras que las colisiones localizadas y los cuantos de energía evidencian su aspecto corpuscular.
En la física moderna, ambas manifestaciones se integran en el marco de la función de onda.
Observación. El experimento de la doble rendija es la demostración más emblemática de la dualidad onda-partícula en la materia y la radiación. Muestra que fotones y electrones pueden comportarse como ondas o como partículas, según la forma en que se los observe.
El experimento de la doble rendija
En el siglo XVIII, la teoría predominante, firmemente respaldada por Isaac Newton, sostenía que la luz estaba compuesta por diminutos “corpúsculos” emitidos por los objetos luminosos.
No obstante, en 1801 el experimento de la doble rendija de Thomas Young convenció a la comunidad científica de su naturaleza ondulatoria.
Young hizo incidir un haz de luz sobre dos rendijas paralelas abiertas en una pantalla opaca.
En el panel colocado detrás de las rendijas, en lugar de las dos franjas luminosas esperadas, apareció un patrón alternado de zonas claras y oscuras: una huella inconfundible de la interferencia de ondas.
La luz se comportaba de manera inequívoca como una onda, capaz de superponerse para dar lugar a interferencias constructivas y destructivas.
- En los puntos de interferencia constructiva, las ondas se refuerzan y la intensidad aumenta.
- En los puntos de interferencia destructiva, las ondas se anulan, reduciendo o incluso suprimiendo la intensidad.
Visto desde arriba, se distinguen regiones donde las ondas se superponen y se potencian (puntos rojos) y otras donde se cancelan, generando múltiples franjas verticales en la pantalla.
Este resultado llevó a los científicos del siglo XIX a concluir que la luz - y, en general, la radiación electromagnética - tenía una naturaleza exclusivamente ondulatoria, y la hipótesis corpuscular fue descartada.
El regreso de la hipótesis corpuscular
La concepción corpuscular reapareció a comienzos del siglo XX con la teoría cuántica de Max Planck, que introdujo la idea de la energía cuantizada: dividida en paquetes mínimos y discretos, llamados cuantos.
En 1905, Albert Einstein aplicó esta teoría para explicar el efecto fotoeléctrico, proponiendo que la luz está formada por partículas indivisibles denominadas fotones.
A partir de entonces, la luz pasó a entenderse como una realidad con doble identidad: onda y partícula.
En 1924, Louis de Broglie amplió esta idea al sugerir que también los electrones poseen un carácter dual onda-partícula.
La dualidad onda-partícula dejaba de estar restringida a la radiación: se extendía a la propia materia.
Dualidad onda-partícula de los electrones
El experimento de Young se repitió, esta vez con haces de electrones dirigidos contra una barrera con dos rendijas.
Si los electrones se comportaran únicamente como partículas, lo esperable sería observar dos franjas nítidas en la pantalla, correspondientes a cada rendija.
En su lugar, apareció un patrón de interferencia idéntico al de la luz: cada electrón parecía atravesar ambas rendijas a la vez, comportándose como una onda.
Para descartar posibles interacciones entre electrones, el experimento se repitió enviándolos de uno en uno.
Asombrosamente, incluso así se reprodujo el mismo patrón de interferencia, confirmando el carácter ondulatorio de los electrones.
Sin embargo, al colocar un detector para identificar por cuál rendija pasaba cada electrón, el patrón de interferencia desapareció, dejando únicamente dos franjas definidas, como si los electrones fueran partículas clásicas.
Este experimento demuestra que:
- sin observación, los electrones se comportan como ondas, generando patrones de interferencia;
- con observación, se comportan como partículas localizadas, dejando únicamente dos trazas.
La mecánica cuántica explica este fenómeno mediante la función de onda, que describe la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar determinado. El acto de medir provoca el “colapso” de la función de onda, suprimiendo la superposición y produciendo un resultado concreto.
Nota. Para determinar por qué rendija atraviesa una partícula, los físicos utilizan dispositivos como fotodiodos o sensores electrónicos capaces de registrar el paso de un fotón o de un electrón, o recurren a técnicas de dispersión que interactúan con la partícula a lo largo de su trayectoria. Lo esencial es que todo intento de identificar el recorrido de la partícula introduce, de manera inevitable, una interacción. Esa interacción elimina el patrón de interferencia y hace que el comportamiento de la partícula deje de ser ondulatorio para manifestarse como corpuscular.
Esto implica que la luz - y, en general, la materia - no puede describirse exclusivamente como onda ni exclusivamente como partícula. Poseen una naturaleza dual (dualidad onda-partícula) que se revela de manera distinta según el tipo de medición o experimento realizado.
Y la historia continúa.
