¿Qué es la dualidad onda-partícula? Es una característica de los fotones y otras partículas subatómicas que se comportan como ondas bajo algunas condiciones y como partículas bajo otras.
La dualidad onda-partícula de la materia y la luz es una parte importante de la mecánica cuántica, porque demuestra mejor el hecho de que conceptos tales como "ondas" y "partículas", que funcionan bien en la mecánica clásica, no son suficientes para explicaciones del comportamiento de algunos objetos cuánticos.
La naturaleza dual de la luz ganó reconocimiento en la física después de 1905, cuando Albert Einstein describió el comportamiento de la luz usando fotones, que se describieron como partículas. Luego, Einstein publicó la relatividad especial menos famosa, que describía la luz como un comportamiento ondulatorio.
Partículas que muestran un comportamiento dual
Lo mejor de todo, el principio de la dualidad onda-partículaobservado en el comportamiento de los fotones. Estos son los objetos más ligeros y pequeños que exhiben un comportamiento dual. Entre los objetos más grandes, como partículas elementales, átomos e incluso moléculas, también se pueden observar elementos de dualidad onda-partícula, pero los objetos más grandes se comportan como ondas extremadamente cortas, por lo que son muy difíciles de observar. Por lo general, los conceptos utilizados en la mecánica clásica son suficientes para describir el comportamiento de partículas más grandes o macroscópicas.
Evidencia de la dualidad onda-partícula
La gente ha estado pensando en la naturaleza de la luz y la materia durante muchos siglos e incluso milenios. Hasta hace relativamente poco tiempo, los físicos creían que las características de la luz y la materia deben ser inequívocas: la luz puede ser una corriente de partículas o una onda, al igual que la materia, ya sea que consista en partículas individuales que obedezcan completamente las leyes de la mecánica newtoniana, o que sea un medio continuo e inseparable.
Inicialmente, en los tiempos modernos, la teoría sobre el comportamiento de la luz como una corriente de partículas individuales, es decir, la teoría corpuscular, era popular. El mismo Newton se adhirió a ella. Sin embargo, físicos posteriores como Huygens, Fresnel y Maxwell concluyeron que la luz es una onda. Explicaron el comportamiento de la luz por la oscilación del campo electromagnético, y la interacción de la luz y la materia en este caso cayó bajo la explicación de la teoría clásica del campo.
Sin embargo, a principios del siglo XX, los físicos se enfrentaron al hecho de que ni la primera ni la segunda explicación podíancubrir completamente el área de comportamiento de la luz bajo diversas condiciones e interacciones.
Desde entonces, numerosos experimentos han demostrado la dualidad del comportamiento de algunas partículas. Sin embargo, la aparición y aceptación de la dualidad onda-partícula de las propiedades de los objetos cuánticos estuvo especialmente influenciada por los primeros y más antiguos experimentos, que pusieron fin al debate sobre la naturaleza del comportamiento de la luz.
Efecto fotoeléctrico: la luz está formada por partículas
El efecto fotoeléctrico, también llamado efecto fotoeléctrico, es el proceso de interacción de la luz (o cualquier otra radiación electromagnética) con la materia, como resultado del cual la energía de las partículas de luz se transfiere a las partículas de materia. Durante el estudio del efecto fotoeléctrico, la teoría electromagnética clásica no podía explicar el comportamiento de los fotoelectrones.
Heinrich Hertz señaló en 1887 que la luz ultravioleta brillante en los electrodos aumentaba su capacidad para crear chispas eléctricas. Einstein en 1905 explicó el efecto fotoeléctrico por el hecho de que la luz es absorbida y emitida por ciertas porciones cuánticas, a las que inicialmente llamó cuantos de luz, y luego los denominó fotones.
Un experimento de Robert Milliken en 1921 confirmó el juicio de Einstein y llevó a que este último recibiera el Premio Nobel por el descubrimiento del efecto fotoeléctrico, y el propio Millikan recibió el Premio Nobel en 1923 por su trabajo sobre las partículas elementales y el estudio del efecto fotoeléctrico.
Experimento de Davisson-Jermer: la luz es una onda
La experiencia de Davisson - Germer confirmóde Broglie sobre la dualidad onda-partícula de la luz y sirvió como base para formular las leyes de la mecánica cuántica.
Ambos físicos estudiaron el reflejo de los electrones en un monocristal de níquel. La configuración, ubicada en el vacío, consistía en un solo cristal de níquel molido en un cierto ángulo. Un haz de electrones monocromáticos se dirigió directamente perpendicular al plano de corte.
Los experimentos han demostrado que, como resultado de la reflexión, los electrones se dispersan de manera muy selectiva, es decir, en todos los haces reflejados, independientemente de las velocidades y los ángulos, se observan máximos y mínimos de intensidad. Así, Davisson y Germer confirmaron experimentalmente la presencia de propiedades ondulatorias en las partículas.
En 1948, el físico soviético V. A. Fabrikant confirmó experimentalmente que las funciones de onda son inherentes no solo al flujo de electrones, sino también a cada electrón por separado.
El experimento de Jung con dos rendijas
El experimento práctico de Thomas Young con dos rendijas es una demostración de que tanto la luz como la materia pueden exhibir las características de ondas y partículas.
El experimento de Jung demuestra prácticamente la naturaleza de la dualidad onda-partícula, a pesar de que se llevó a cabo por primera vez a principios del siglo XIX, incluso antes del advenimiento de la teoría del dualismo.
La esencia del experimento es la siguiente: una fuente de luz (por ejemplo, un rayo láser) se dirige a una placa donde se hacen dos ranuras paralelas. La luz que pasa a través de las rendijas se refleja en la pantalla detrás de la placa.
La naturaleza ondulatoria de la luz hace que las ondas de luz pasen a través de las rendijasmezcla, produciendo rayas claras y oscuras en la pantalla, lo que no sucedería si la luz se comportara puramente como partículas. Sin embargo, la pantalla absorbe y refleja la luz, y el efecto fotoeléctrico es prueba de la naturaleza corpuscular de la luz.
¿Qué es la dualidad onda-partícula de la materia?
La cuestión de si la materia puede comportarse en la misma dualidad que la luz, la retomó De Broglie. Posee una audaz hipótesis de que, bajo ciertas condiciones y dependiendo del experimento, no solo los fotones, sino también los electrones pueden demostrar la dualidad onda-partícula. Broglie desarrolló su idea de ondas de probabilidad no solo de fotones de luz, sino también de macropartículas en 1924.
Cuando se demostró la hipótesis utilizando el experimento de Davisson-Germer y repitiendo el experimento de la doble rendija de Young (con electrones en lugar de fotones), de Broglie recibió el Premio Nobel (1929).
Resulta que la materia también puede comportarse como una onda clásica en las circunstancias adecuadas. Por supuesto, los objetos grandes crean ondas tan cortas que no tiene sentido observarlas, pero los objetos más pequeños, como los átomos o incluso las moléculas, exhiben una longitud de onda notable, lo cual es muy importante para la mecánica cuántica, que prácticamente se basa en funciones de onda.
El significado de la dualidad onda-partícula
El significado principal del concepto de dualidad onda-partícula es que el comportamiento de la radiación electromagnética y la materia se puede describir usando una ecuación diferencial,que representa la función de onda. Por lo general, esta es la ecuación de Schrödinger. La capacidad de describir la realidad usando funciones de onda está en el corazón de la mecánica cuántica.
La respuesta más común a la pregunta de qué es la dualidad onda-partícula es que la función de onda representa la probabilidad de encontrar una partícula determinada en un lugar determinado. En otras palabras, la probabilidad de que una partícula esté en una ubicación predicha la convierte en una onda, pero su apariencia física y forma no lo son.
¿Qué es la dualidad onda-partícula?
Mientras que las matemáticas, aunque de una manera extremadamente compleja, hacen predicciones precisas basadas en ecuaciones diferenciales, el significado de estas ecuaciones para la física cuántica es mucho más difícil de entender y explicar. Un intento de explicar qué es la dualidad onda-partícula sigue siendo el centro del debate en la física cuántica.
La importancia práctica de la dualidad onda-partícula también radica en que cualquier físico debe aprender a percibir la realidad de una manera muy interesante, cuando pensar en casi cualquier objeto de la forma habitual ya no es suficiente para una percepción adecuada de la realidad.
