¿Qué eres: onda o partícula?

Estamos acostumbrados a ciertos atributos que son incompatibles entre sí, es decir, que no pueden darse a la vez (por ejemplo: una cosa no puede ser un perro y gato a la vez, animal y vegetal, ser vivo e inerte...)

Esta entrada trata sobre una de esas parejas de atributos que en principio podríamos pensar que son incompatibles: "partículas y ondas". 

Una cosa puede tener propiedades de partícula (como  por ejemplo, una bola de billar); o bien tener propiedades de onda (como por ejemplo el sonido, la luz o las ondas de radio). En nuestro mundo, ondas y partículas son incompatibles entre sí. Si una cosa es una partícula no puede ser una onda y viceversa.

El sonido tiene propiedades de onda

Las bolas de billar tienen propiedades de partículas

Sin embargo, si bajamos al mundo de las cosas más pequeñas, al mundo subatómico, los fenómenos que allí suceden se empeñan en no seguir las mismas reglas que las que observamos cotidianamente a nuestra escala. ¿Puede una cosa ser a la vez onda y partícula? No sólamente puede, sino que además este hecho encierra uno de los pilares de la física moderna: el carácter dual en física cuántica. Uno de los fenómenos más extraordinarios que hemos descubierto y que desafían por completo nuestro sentido común. 

Para poder comprender mejor este hecho, en esta entrada veremos uno de los experimentos más sorprendentes de toda la historia de la humanidad. Un experimento que pone de manifiesto una de las propiedades más fascinantes de la naturaleza: la dualidad onda-partícula. Estamos hablando del “experimento de la doble rendija”, un experimento que realizó por primera vez el físico Thomas Young en 1801 utilizando luz en el mismo y que posteriormente ha sido realizado con partículas subatómicas, como veremos a continuación.

Antes de presentar el experimento debemos tener bien claro la diferencia entre ondas y partículas:

- Una onda es una propagación de una perturbación de un medio a través de ese medio. Por ejemplo, las ondas que se producen al tirar una piedra a un estanque de agua, o las ondas de radio, o la luz, wifi... etc.

- Una partícula es un objeto diferenciable del entorno al que se le asignan propiedades bien definidas y que ocupa un lugar concreto en el espacio. Podríamos considerar partículas a una bola de billar, un átomo, incluso a ti mismo, etc. Todas las cosas con masa son consideradas partículas.

El experimento

Piensa en el siguiente dispositivo experimental:

 

Figura 1

El dispositivo del experimento está formado por un emisor de ondas o partículas, una pared con una o dos rendijas y un detector que registra la posición donde chocan las partículas que le llegan (si realizamos el experimento con partículas)  o la señal de las ondas (si realizamos el experimento con ondas).

Si realizamos el experimento con ondas y con la pared de una sola rendija obtenemos lo siguiente:

Figura 2

En esta experiencia, la onda emitida por el emisor llega a la rendija de la pared, convirtiéndose ésta en un nuevo foco emisor tal como se muestra en la Figura 2. El registro de la señal captado en el detector, muestra un máximo de intensidad de la señal enfrente de la rendija, y disminuye al alejarse hacia los lados de éste.

Veamos que pasa ahora si utilizamos la pared de doble rendija:

Figura 3

En este caso, cuando las ondas llegan a la pared, cada una de las rendijas se convierte en un nuevo foco de emisión. En el detector se observan zonas de máxima señal seguidas de zonas sin señal alguna. Esto es debido a una propiedad exclusiva de las ondas: el fenómeno de interferencia.

La interferencia es un fenómeno exclusivo de las ondas que consiste en la formación de una nueva onda cuando se superponen dos o más ondas: 

 

En la interferencia constructiva la onda resultante es mayor porque las ondas estaban en fase (podríamos decir que iban "acompasadas"). En la interferencia destructiva las ondas se anulan porque estaban desfasadas 180 º (las ondas se anulan entre sí)

   

Pues bien, en el experimento de la Figura 3, las ondas sufren el fenómeno de interferencia, apareciendo zonas donde las ondas se suman y otras zonas donde se anulan. Se obtiene así un patrón de interferencia, característico de las ondas.

Este experimento fue el que realizó Thomas Young, utilizando como ondas luz y evidenciando así el carácter ondulatorio de la misma.

Volvamos a realizar el experimento, pero ahora con partículas:

Figura 4

Si lanzamos partículas, por ejemplo bolas de billar, en el detector quedarían registrados los impactos de cada una de las bolas de billar, tal como se muestra en la Figura 4. Y estos impactos, tal como cabría esperar, aparecerán enfrente de la rendija.

Utilicemos ahora la pared con doble rendija:

Figura 5

Tal como se muestra en la Figura 5, si la pared tiene dos rendijas, en el detector aparecen las señales de los impactos formando dos franjas, cada una enfrente de su rendija correspondiente.

Hasta ahora todo sucede según lo esperado, pero, ¿qué ocurre si en vez de utilizar partículas con un tamaño apreciable en nuestra escala, utilizamos partículas muy pequeñas? Acontinuación veremos que ocurre si utilizamos como partículas electrones. 

Los electrones son partículas subatómicas elementales con carga negativa. Recuerda que toda la materia de está hecha de átomos, y que éstos estan formados a su vez por tres partículas: protones y neutrones en su núcleo, y electrones alrededor de éste. Los electrones son partículas muy, muy pequeñas. Para que te hagas una idea de su tamaño, una gota de agua contiene alrededor de 17.000.000.000.000.000.000.000 electrones, ¡diecisiete mil TRILLONES de electrones! Los electrones son pues, partículas muy pequeñas, pero partículas con masa al fin y al cabo. 

Pues bien, si realizamos el experimento con electrones y con la pared de una sola rendija obtenemos lo siguiente:

Figura 6

Vale, no observamos nada raro. Tal como cabría esperar obtenemos lo mismo que cuando utilizamos bolas de billar.

Pongamos ahora la pared con doble rendija y observemos que sucede:

Figura 7

Con la pared de doble rendija y utilizando como partículas electrones el detector registra los impactos de los electrones como partículas, pero cuando tenemos un número suficientemente alto de impactos... ¡Obtenemos un patrón de interferencia como en el caso de las ondas! 

¿Pero cómo es posible esto? ¿No eran los electrones partículas?... Además, incluso si disparamos los electrones de uno en uno, asegurándonos de que no se lanza un nuevo electrón hasta que el anterior ha llegado al detector, obtenemos el mismo resultado, por lo que  la causa del patrón de interferencia no puede deberse a la posible interacción de unos electrones con otros durante su viaje hacia el detector. ¿Y entonces?

No nos queda más remedio que aceptar que los electrones son ondas y partículas a la vez. Cada electrón pasa por las dos rendijas a la vez e interfiere consigo mismo para formar un patrón de interferencia... ¡Están locos estos electrones!

Pero no queda ahí la cosa. Si ponemos un detector a la altura de la pared para observar por cual de las dos rendijas pasa el electrón obtenemos lo siguiente:

Figura 8

Cada electrón pasa ahora por una única rendija, tal como lo hacían las bolas de billar. !Los electrones ahora se comportan como partículas! ¡El hecho de observar al electrón hace que este se comporte como partícula!

El experimento de la doble rendija pone de manifiesto el carácter dual de las cosas en el mundo de lo más pequeño. Al desarrollar la física que estudia esta escala, la física cuántica, obtenemos resultados que desafían por completo nuestro sentido común. Una cosa puede ser partícula y onda a la vez, pero es más, el mero hecho de observar las propiedades de ésta, el proceso de medición, hace que la balanza se decline hacia una cosa u otra. Si observamos al electrón, lo obligamos a que éste ponga de manifiesto uno de sus atributos. Tal como se deduce del Principio de Incertidumbre (que explicamos en una entrada anterior), no podemos conocer toda la realidad de las cosas, únicamente tras la medición podemos conocer una "porción de realidad" de las mismas.

Mira a tu alrededor. Solemos pensar que la realidad de todo lo que nos rodea es lo que nosotros, los humanos, observamos; pero es mucho más grande y fascinante de lo que pensamos. Sólo somos una insignificante parte del Cosmos que observa una diminuta parte de sí mismo. Una porción de realidad, nuestra realidad, que está condicionada por nuestras percepciones como seres que vivimos en un tiempo y espacio en una escala específica, la escala humana. Seres que sin embargo hemos podido ir más allá de nuestra percepción y describir y explicar fenómenos extraordinarios que escapan por completo de nuestra escala humana, fenómenos que desafían nuestro sentido común. 

¿Qué es la realidad? Bueno, pues depende de quién y cómo se mire...