LA MATERIA SE COMPORTA DE DOS FORMAS MUY DIFERENTES, COMO ONDA Y COMO PARTÍCULA.

Sarah Romero

Periodista científica

En el mundo de la mecánica cuántica podemos encontrar muchas paradojas interesantes. Hoy, nos centraremos en una de las que hace que a uno le hierva un poco el cerebro al reflexionar sobre ello (en el buen sentido): la dualidad onda-corpúsculo.

¿Qué es la luz? La pregunta ha fascinado a los científicos (y pintores, poetas, escritores y cualquiera que haya jugado con un prisma) desde la antigüedad clásica. Leucipo, Euclides, Huygens, Newton... Muchos investigadores y eruditos han dedicado horas incontables a lo largo de los siglos para dar respuesta a esta pregunta. Y es que la óptica es conocida como la disciplina más antigua de la historia junto con la mecánica.

Según la mecánica cuántica clásica (o la física clásica para la época), una onda se extiende en una región vasta de espacio y tiempo con una velocidad definida y una masa nula; la partícula, según esta misma visión clásica de la física, ocupa un lugar en el espacio y, además, tiene masa; esto es, es una concentración de energía y otras propiedades en el espacio y tiempo.

La naturaleza de la luz fue objeto de un largo debate científico, que se extendió durante siglos (de hecho, a principios del siglo xix se sugirieron y realizaron experimentos para demostrar que la luz no era sino un movimiento ondulatorio).

En 1900, el físico alemán Max Planck trataba de entender la luz así como otras radiaciones electromagnéticas y expuso que cualquier sistema atómico que irradia energía se puede dividir teóricamente en una serie de «elementos de energía» dis- cretos ε, de modo que cada uno de estos elementos de energía es proporcional a la frecuencia ν con la que cada uno de ellos individualmente irradian energía, como se define por la siguiente fórmula: ε = h ν (donde h es un valor numérico llamado constante de Planck). Esta nueva constante de la naturaleza (con la dimensión de la energía multiplicada por el tiempo) conecta el cuanto de energía con la frecuencia de la luz, a través de la fórmula. Nace la hipótesis cuántica de Planck de que, por tanto, la luz en sí misma está hecha de partículas cuánticas individuales.

Aunque el propio Planck no creía ni en los átomos ni en los fragmentos discretos de luz (se resistía a la idea de que la luz en el vacío se propagaba como una partícula, posteriormente bautizada como fotón), le dio la clave a otro baluarte de la ciencia. Basándose en los estudios de Max Planck al respecto de la energía de los átomos, Albert Einstein, el físico más sobresaliente del siglo xx, planteó que las ondas electromagnéticas tienen una naturaleza de partículas. Este eminente científico que sigue resonando en la actualidad científica a día de hoy (y lo seguirá haciendo), marcó un antes y un después en la física moderna, gracias a tres resultados de diversas investigaciones, completamente innovadoras (y anunciadas en 1905, en los albores del siglo xx). Sus artículos trataban sobre la teoría del efecto fotoeléctrico, en la que la luz se compone de partículas llamadas «cuantos de luz» (fotones), la teoría del movimiento browniano que utiliza la teoría cinética de las moléculas y la teoría de la relatividad especial.

Nos centramos en la primera de estas investigaciones. La explicación del efecto fotoeléctrico (bajo un estudio titulado «Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light»), en el que muestra que la luz está compuesta de paquetes de energía —cuantos o fotones— que no tienen masa, pero sí cantidad de movimiento, y tienen una energía dada por: Energía del fotón (E = hf), que le hizo ganar el Premio Nobel de Física en 1921. En el efecto fotoeléctrico, la luz separa los electrones de sus átomos. Einstein descubrió que la energía de la luz es transportada en cantidades discretas —paquetes de energía ya llamados fotones—. Y cada fotón es el equivalente a un elemento de energía o cuanto (la teoría ondulatoria de la luz era incapaz de explicar de forma natural el efecto fotoeléctrico, esto es, la emisión de electrones de las superficies metálicas iluminadas por la luz). De ahí que se extrajeran conclusiones como que cada fotón de luz violeta, por poner un ejemplo, tiene más o menos el doble de energía que un fotón de luz roja (ya que la luz violeta tiene, aproximadamente, el doble de frecuencia que la luz roja).

Fue por esta investigación y no por la de la teoría de la relatividad especial (incredulidades científicas de la época) por la que Einstein recibió su Nobel; de hecho, el entomólogo Christopher Aurivillius, secretario de la Academia Sueca de Ciencias que concede el Nobel, se encargó de enviarle a Einstein una carta en la que se le aclaraba específicamente que no se le concedía el premio por la relatividad y la gravitación, sino por sus contribuciones teóricas en física cuántica, por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico (dejaremos de lado el asunto del éter del matemático y científico escocés James Clerk Maxwell —el supuesto éter lumínico—, ya que fue abandonado como un concepto innecesario, a la luz —nunca mejor dicho— de la teoría especial de la Relatividad de Einstein).

La hipótesis de Einstein de los cuantos de luz (fotones), basada —a su vez— en el descubrimiento del efecto fotoeléctrico de Philipp Lenard en 1902, fue inicialmente rechazada por Planck. No estaba dispuesto a descartar por completo la teoría de la electrodinámica de Maxwell. A Einstein le costó unos años convencer a Planck, pero hubo un final feliz, ya que los dos científicos acabaron haciéndose muy buenos amigos e incluso quedaban para tocar música juntos.

Como vemos, Einstein jugó un papel clave en el desarrollo de la mecánica cuántica desafiando los planteamientos clásicos de la mecánica newtoniana. El descubrimiento de cómo los fotones de la luz (que se considera clave para los orígenes tanto del espacio como de la vida) podían «ser absorbidos o generados solo como un todo», específicamente cuando un átomo «salta» entre tasas de vibración cuantificadas, aportó una nueva e innovadora forma de concebir la luz.

Y es que la dualidad de que la luz se pueda comportar como una corriente de partículas (fotones) y también como una onda supone un desafío para nuestro sentido común. La luz, con una doble naturaleza.

En la mecánica cuántica, por tanto, las partículas a veces pueden existir como ondas y a veces como partículas. Todo nace de osadas hipótesis de las que está pavimentada la ciencia. Como esta otra: y si la luz, que se creía originalmente que era una onda, tenía comportamiento de partícula bajo ciertas condiciones... partículas como el electrón también se ajustarían a esa dualidad, ¿no? Esto fue lo que propuso el físico francés Louis-Victor de Broglie quien fue honrado, precisamente, con el Premio Nobel de Física en 1929 por una propuesta que enunciaba que todas las partículas presentan tanto propiedades de onda como de partícula. Es lo que conocemos como dualidad onda-corpúsculo.

De Broglie utilizó las ecuaciones de la teoría de la relatividad especial de Einstein para demostrar que las partículas pueden exhibir características similares a las de las ondas y que las ondas pueden exhibir características similares a las de las partículas. Concretamente, en su tesis, de Broglie propuso de forma exhaustiva la existencia de ondas de materia, una idea del todo revolucionaria donde la materia tenía asociada una onda (su ecuación se expresaba de la siguiente forma: λ = h/p, donde λ es la longitud de la onda asociada a la partícula de cantidad de movimiento p, y h es la constante de Planck). Sin duda, se puede afirmar que la ecuación de Planck es una de las ecuaciones de referencia que dio origen a la mecánica cuántica, así como a la computación cuántica.

Con ello, se concluía que toda la materia puede ser interpretada como una onda y una partícula (ambas cosas), según la ecuación de De Broglie. Esta idea de la cuantización de la energía cambió el curso de la física para siempre. Quedó demostrado que la predicción de Broglie era cierta cuando se dirigieron haces de electrones y neutrones a cristales y observaron patrones de difracción.

Todas estas ideas son las piedras angulares de la mecánica cuántica. Como los resultados de la mecánica cuántica suelen ser extremadamente extraños y contradictorios, ponemos punto y final a este reportaje con una frase de Niels Bohr, otro genio de la física: «Aquellos que no se sorprenden cuando se encuentran por primera vez con la teoría cuántica posiblemente no la hayan entendido».