Dualidad onda-partícula

Dualidad onda-partícula: la bipolaridad de las partículas subatómicas

Ya abordamos en nuestra sección de artículos algunas de las principales diferencias entre el mundo macroscópico y el microscópico (véase El corazón de la mecánica cuántica), y como las leyes de la física aplicables a uno no siempre se cumplen en el otro, o mejor, en el mundo microscópico imperan leyes privativas. De este modo introdujimos la teoría del todo y en qué consiste básicamente la mecánica cuántica. Una de las conclusiones que extrajimos de ese artículo se resume en que en el mundo de las partículas subatómicas los lindes entre conceptos se desdibujan, y así nos topamos de bruces con la hipótesis de la dualidad onda-corpúsculo, también denominada dualidad onda-partícula.

Y es que, en el mundo de dimensiones perceptibles a nuestros ojos físicos, concebir que un objeto pueda poseer dos naturalezas opuestas de forma simultánea parece impensable. Por eso, a menudo, se ironiza con la idea de que la mecánica cuántica resulta ilógica. Einstein nos diría ahora que si el sentido de la vista nos limita deberíamos emplear más la imaginación. De acuerdo, desde el punto de vista macroscópico al ver un objeto volador no identificado preguntamos: ¿es un pájaro? ¿Es un avión? Pero la Mecánica Cuántica afirmaría que puede ser ambas cosas al hallarse en una superposición de estados. Claro está, debemos entender esto como una metáfora.

Cierto que entender el concepto de dualidad de la materia puede resultar complejo. A diario vemos cosas que se comportan como onda o como partícula. Si lanzamos una pelota, esta describe una sola trayectoria, trayectoria parabólica, para ser exactos. Lo mismo sucede con nuestro Smartphone, si se nos escurre de entre las manos, caerá al suelo siguiendo un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. Pero si se nos escapa un grito de alarma al ver la pantalla del teléfono hecha añicos, el sonido que fluye de nuestras cuerdas vocales se propaga en el aire en forma de ondas. Asimismo, vemos ondas sobre la superficie del agua cuando lanzamos una piedra a un estanque, o una estela de ondas cuando mamá pata se desplaza sobre el agua con sus patitos a la zaga.

No obstante, cuando reducimos la escala nos encontramos con las partículas subatómicas, que en unas ocasiones se comportan como ondas y en otras como partículas. Los electrones, por ejemplo, se desplazan siempre en forma de onda. Analicemos el experimento por excelencia, disparar algo contra un blanco. Si lanzamos un electrón contra una pared, este sigue una trayectoria ondulatoria, en principio de manera empírica, pero cuando alcanza la superficie, impacta en un solo lugar de la pared, lo que pone de manifiesto su comportamiento corpuscular, porque de hecho, solo se trata de un electrón.

Ahora bien, ¿qué sucede si situamos una pantalla con una rendija vertical entre la fuente de electrones y la pared objetivo? Pues nada inesperado. Los electrones se comportan como canicas proyectadas que dejan una estampa vertical y alargada en la pared donde han impactado.

En cambio, si colocamos una nueva pantalla con dos pequeñas rendijas delante de la superficie y lanzamos, no un electrón, sino innumerables electrones, lo que llamamos un haz de electrones, observaremos una distribución propia del movimiento ondulatorio. Equivaldría a interceptar el flujo de una onda sobre la superficie del agua, al atravesar esta las dos rendijas de forma simultánea. En la pared donde impactan, los electrones forman múltiples bandas alargadas, lo que se conoce como patrón de interferencia. Pues bien, ese patrón de interferencia nos revela experimentalmente que los electrones se desplazan en forma de onda.

En esto consiste el experimento de la doble rendija, realizado inicialmente por Thomas Young en 1801 y, posteriormente, idealizado por Richard Feynmann para postular la cuantización de la luz. De este experimento se extrajeron conclusiones interesantes. La primera, como ya se ha apuntado, establece que los electrones se desplazan en forma de onda, pero al impactar contra una superficie lo hacen de forma puntual, como partículas. La segunda aporta una única explicación posible al patrón de interferencias y es que, simultáneamente, los electrones atraviesan ambas rendijas o ninguna, lo que se traduce en una superposición de estados. Claro que si colocamos un aparato de medición entre la pantalla y la fuente, el observador solo podrá advertir cómo atraviesa una rendija u otra, o bien ninguna.

Este comportamiento, digamos, bipolar, de las partículas resultaría poco conveniente en nuestro mundo. Por ejemplo, si el sonido manifestara esta dualidad, alguien gritaría en medio de una habitación concurrida y el sonido de su voz, en efecto, se desplazaría en forma de ondas sonoras, pero estas solo alcanzarían a un único oyente. Imagina a un profesor dando clase… En el caso de las olas del mar, aunque se propagan trasversalmente, romperían en un único punto de la orilla…

Entonces, ¿qué quiere decir que una partícula elemental es onda y partícula a la vez? Pues bien, imaginemos un día nublado. De repente comienza a llover. De entre los millones de gotas de agua que caen escogemos una, y justo en su interior ubicamos una mota de polvo. El juego consiste en seguir la mota de polvo, que representa a nuestro electrón. En principio sabemos dónde está, es fácil, pero al impactar contra el suelo la gota se propaga en forma de onda. En ese momento solo podemos saber que la mota se encuentra en algún lugar de esa onda. Si queremos localizar a la mota de polvo, resulta patente que se encuentra en un solo lugar dentro del charco de agua, pero cuanta más agua analicemos, más probabilidad tendremos de hallarla.

De esto se ocupa la mecánica cuántica, que desarrolla matemáticamente la función de la onda que guía al electrón, de ahí su apodo, “onda piloto”. Como sabemos, si expresamos gráficamente una función de onda observamos crestas y valles. Así, una cresta muy pronunciada, es decir, un máximo en la función, nos indica una probabilidad muy alta de encontrar al electrón en ese punto (equivale a la banda alargada en la pared del experimento). Por el contrario, jamás hallaremos a la partícula en un valle o en un mínimo de la función (en la pared, las zonas alargadas donde no impactan los electrones).

Así podemos concluir que cada partícula elemental tiene asociada una onda piloto que la conduce en su trayectoria siempre que esta necesita desplazarse. Por lo tanto, cuando decimos que las partículas subatómicas en unas ocasiones se comportan como ondas y otras como partículas, aludimos a otro principio fundamental de la física, y es que todo es relativo. La relatividad significa que la realidad depende del observador, lo cual supone un punto a favor de la Teoría del Todo. En otras palabras, un electrón se comporta como una onda hasta que lo observamos, momento en el que se revela su naturaleza corpuscular.