3.- Origen de la dualidad onda-corpúsculo.

Como ya se ha comentado en el apartado anterior, toda partícula parece tener dos formas incompatibles de manifestarse. La interpretación cuántica más reconocida nos dice que a veces es una onda y otras veces es un corpúsculo, resultante de una especie de “colapso” de su estado ondulatorio cuando se establece un punto de observación.

Una propiedad de una partícula, como por ejemplo la posición, se define por una función de onda cuya densidad coincide con la probabilidad de encontrarla. Cada punto del espacio tiene así una probabilidad determinada y, por ejemplo en el caso de un electrón, la zona del espacio con máxima probabilidad es lo que se conoce como “orbital”. Si prescindimos de un dispositivo de observación es imposible asegurar en qué posición se encuentra la partícula, la única herramienta de predicción es la función de onda, y la partícula responde a un comportamiento ondulatorio. Al contrario, cuando se coloca un dispositivo de observación, la partícula deja de responder como una onda y se manifiesta como un corpúsculo, es entonces cuando se dice que la función de onda se “colapsa” en uno de los estados o posiciones probables, como si toda la energía de la onda se concentrara de repente en una posición concreta.

Los experimentos más significativos del problema de la dualidad son el efecto fotoeléctrico y el experimento de la doble rendija, siendo éste último el que más ha moldeado la extraña forma de pensar en mecánica cuántica.

El efecto fotoeléctrico es la capacidad de una radiación para arrancar electrones. En un principio se pensaba que la intensidad de la radiación guardaría una relación directa con el caudal de electrones arrancados, pero se vio que esto no era así porque no se arrancaba un solo electrón hasta que la frecuencia de la radiación alcanzaba un mínimo, independientemente de la intensidad de la radiación. Así se llegó a entender que la luz se comportaba como paquetes de energía mínima indivisibles (fotones) cuya energía es proporcional a la frecuencia, y siendo la constante de Planck el factor de proporcionalidad.

La luz, que siempre se había entendido como energía propagada en forma de ondas, se manifestaba con la misma dinámica que una masa puntual en su impacto con los electrones. Por muy numerosos que fueran los paquetes de energía (mucha intensidad) no se arrancaban electrones si la frecuencia era insuficiente, pues entonces ninguno de los paquetes tenía suficiente energía para romper el enlace de un electrón e impulsarlo con energía sobrante.

El experimento de la doble rendija demuestra un comportamiento ondulatorio de las partículas, justo lo contrario que el efecto fotoeléctrico. Lanzando electrones a través de una doble rendija hasta una pantalla de fondo, se observan una serie de franjas claras y oscuras que responden a un patrón de interferencia de ondas. Así se supone que el electrón se difracta como una onda, dividiéndose en las rendijas e interfiriéndose entre sí. Los puntos de corte de las ondas que se interfieren forman trayectorias en las que es máxima la intensidad, y en la pantalla se dibuja una banda nítida.

En las direcciones intermedias se restan las amplitudes y no se observa reacción sobre la pantalla de fondo. Por supuesto, los puntos que distan un número entero de longitudes de onda a cada rendija están en las trayectorias de máxima intensidad, donde las amplitudes se suman y justifican una impresión nítida sobre la pantalla.

Tapando una de las dos rendijas desaparece el patrón de interferencias y solo se muestra una banda nítida, justamente alineada con el foco de electrones y la rendija libre. En este caso no se puede asegurar si los electrones se comportan como ondas o como corpúsculos.

Cuando se aproxima un detector a una de las rendijas, el patrón de interferencias desaparece igualmente, pero en este caso se muestran dos bandas nítidas alineadas con el foco de electrones y cada una de las rendijas, como si los electrones se dieran cuenta de que están siendo observados y se convirtieran en proyectiles o corpúsculos.

Se ha pensado que las interferencias podrían aparecer solamente cuando se lanzan muchos electrones de forma simultánea, siendo falso que cada electrón se difracte como las ondas. Lo mismo que las ondas en un estanque se propagan por las interacciones entre las moléculas que forman la masa de agua, los electrones podrían responder de forma parecida.

Para comprobarlo se redujo el flujo de electrones hasta el punto de asegurar que tal efecto no se produciría y, después de largo tiempo de prueba, el patrón de interferencias emergía como en el caso de lanzar muchos electrones a la vez. Por lo tanto, estaba claro que las ondas no se debían al movimiento ondulante de un “mar” de electrones, sino que un solo electrón era capaz de generar un patrón de interferencias, que la onda era el propio electrón.

Aunque las ondas se dispersan y su energía se reparte en todas las direcciones, las partículas dejan de comportarse como las ondas cuando alcanzan la pantalla de fondo, como si toda la energía de la onda se concentrara de repente en un impacto puntual, tal como sucede con los fotones cuando arrancan electrones en el efecto fotoeléctrico. En tal situación no se puede hablar de la posición del electrón como corpúsculo, es decir, puede estar a la vez en todas las posiciones probables o en ninguna, no existe posición como “realidad física” sino como una “probabilidad”.

Sin embargo, cuando el electrón alcanza la pantalla o cuando se añade un dispositivo de observación, entonces se manifiesta en una de las posiciones más probables. Con dispositivo de observación se detecta por cuál de las ranuras pasa el electrón porque lo hace como un corpúsculo, pero sin observación es imposible, porque no tiene sentido preguntarse por qué ranura pasa una onda que se difracta, se puede decir que no pasa por ninguna o que pasa por las dos.

Es dramático para la razón imaginar a un fotón o a cualquier partícula en su propagación como una onda, expandiendo su energía hasta años luz por el espacio en todas las direcciones y, cuando alcanza un objetivo, toda esa energía se concentra como por arte de magia en un solo punto de impacto, porque los fotones y partículas “no se pueden dividir”.

Como se ha dicho, los estados físicos son demasiado sensibles a la presencia de cualquier punto de observación y, adicionalmente, la posición de las partículas es incierta si no hay observación. En ese sentido, la realidad parece una superposición de todos los estados probables, un concepto que ha calado con tanta fuerza que muchos físicos se han convertido en creyentes de Universos paralelos y dimensiones desconocidas. Después de todo, si cada partícula es una superposición de todos los infinitos estados posibles, entonces las incontables partículas del Universo también darían lugar a infinitos Universos en superposición.

Las observaciones experimentales son tan extrañas que la posibilidad de una realidad oculta ya no es la cuestión, el problema es imaginar esa realidad. Para muchos físicos, lo que observamos es como una proyección en tres dimensiones de lo que realmente existe en más de tres dimensiones. Eso explicaría que la gravedad sea tan débil comparada con las demás fuerzas conocidas, de la misma forma que se acortan las dimensiones de un objeto tridimensional cuando se proyecta sobre un plano. Basta recordar que la relatividad general se basa en un espacio de 4 dimensiones, y que la incredulidad inicial abrió paso a una masiva aceptación cuando aparecieron las primeras coincidencias experimentales.

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