NATURALEZA DUAL DE LA LUZ

 
Con la hipótesis de Einstein-Planck, el debate acerca de la naturaleza de la luz recobró todo el interés y lo hizo en medio de una física de nuevo en crisis. La crisis era propiciada en parte por estos hallazgos, dado que en el marco de la física clásica el modelo ondulatorio (según el cual consiste en la propagación del campo electromagnético) y el modelo corpuscular de la luz (según el cual está constituida por fotones) son incompatibles. Y, sin embargo existía una conciencia clara de que algo o mucho de ambos se debía de mantener, puesto que, como hemos visto, el modelo ondulatorio de Maxwell interpretaba satisfactoriamente una gran cantidad de fenómenos del comportamiento luminoso (reflexión, refracción, descomposición en colores, difracción, interferencias, efecto Doppler, polarización,..) y el modelo corpuscular resultaba necesario para interpretar un número creciente de nuevos hechos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, la radiación del cuerpo negro,..
 

En 1924 se produjo un avance fundamental que posibilitó una integración de las dos teorías en un modelo coherente e impulsó el desarrollo de la nueva física cuántica. El físico francés De Broglie (1892-1987), tras una larga meditación sobre la estructura de las grandes teorías físicas y obsesionado por el problema de los cuantos, tuvo la intuición de que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz descubierto por Einstein debería reflejar una ley general de la naturaleza, extensible a todas las partículas materiales. En su tesis doctoral planteó una hipótesis mediante la que atribuyó a toda partícula con impulso, p (para una partícula de masa, m, y velocidad, v, p=m·v), una onda asociada, cuya longitud de onda es  l = h/p (h es la constante de Planck). Por esta aportación De Broglie obtuvo el Premio Nobel de Física en 1929.

La incipiente física cuántica generalizó poco después esta hipótesis para considerar que toda entidad física individual (las partículas y también los fotones) tiene una naturaleza dual, lo que significa que su comportamiento global presenta dos aspectos complementarios: ondulatorio y corpuscular.

 

Así por ejemplo, un electrón tiene masa y cantidad de movimiento (propiedades corpusculares), pero también longitud de onda (propiedad ondulatoria). En una colisión con otro electrón, predomina el comportamiento corpuscular de ambos, pero también ocurre que un haz de electrones se difracta cuando pasa por un pequeño orificio circular de tamaño comparable a su longitud de onda. De hecho, si el haz de electrones se hace incidir en una pantalla situada detrás del orificio, dibuja una figura típica de interferencias como a la mostrada a la derecha, igual que lo hace la luz.

 

 

También dos haces de electrones pueden producir interferencias y así se comprueba en un experimento consistente en hacerlos pasar a través de una rendija doble o múltiple. La rendija, en este caso, puede ser una red iónica en la que la distancia entre cada dos núcleos positivos es del orden de magnitud de la longitud de onda que tienen los electrones a las velocidades típicas que portan en estos experimentos. Las interferencias se producen aunque los electrones se lancen de uno en uno hacia las rendijas, lo cual indica que el resultado observado en la pantalla no es fruto de un proceso estadístico producido por la incidencia de un número elevado de electrones, sino que cada electrón interfiere consigo mismo.

 

El concepto de dualidad onda-partícula es una ley general de la mecánica cuántica que se aplica sin excepción a todas las entidades, incluidos los fotones. Para la física actual, los fotones son las entidades individuales (de masa nula) que componen la luz. Se pone en evidencia su naturaleza corpuscular, por ejemplo, cuando colisiona un fotón con otro fotón o, como ocurre en el efecto fotoeléctrico, cuando los fotones interaccionan con partículas (electrones, protones...). En cambio, un haz luminoso (un haz de fotones) manifiesta un comportamiento ondulatorio (onda electromagnética) cuando, por ejemplo, se difracta, se polariza o produce interferencias luminosas. En consecuencia, el estado actual del debate se puede expresar diciendo que para la física moderna la luz tiene naturaleza dual, corpuscular y ondulatoria. Las entidades que conforman la luz (fotones) no son, es este aspecto, diferentes de las partículas materiales (Los fotones se comportan como onda o partícula según el observador Tendencias científicas, 23-02-2007))

 

 

El carácter dual de las partículas y de los fotones se resistió a ser observado simultáneamente durante mucho tiempo, de tal modo que dependiendo de las condiciones experimentales predominaba siempre uno de estos dos aspectos. En noviembre de 2012, la revista Science acaba de publicar un artículo con los resultados de un experimento en el que por primera vez se han medido simultáneamente  propiedades corpusculares y ondulatorias del fotón.

La rareza cuántica de la luz como onda y partícula (Noticia sobre el primer experimento, donde se han medido simultáneamente propiedades corpusculares y ondulatorias del fotón; "El país" el 14-11-2012)

 

Para terminar nos referimos a un experimento recién realizado por investigadores de la Universidad de California en Berkeley, que han diseñado un reloj basado en la onda de materia de un átomo de cesio. Es un buen ejemplo que muestra como avances teóricos (en este caso la dualidad onda-partícula, junto con la aplicación de otros conceptos de física cuántica y de relatividad) pueden alimentar desarrollos técnicos y viceversa. El trabajo aporta una forma nueva y de altísima precisión (el nuevo reloj sería 100 millones de veces más preciso que los relojes atómicos actuales) de medir el tiempo, y, al mismo tiempo, promueve una mejor comprensión de aspectos teóricos de la física cuántica, incluyendo la propia definición del tiempo.

Un insólito reloj de materia (Noticia sobre el experimento que aplica la dualidad onda-materia para diseñar y poner a prueba un reloj atómico de cesio; "El país" el 14-11-2012)

 

 
 
 
Debate histórico sobre la naturaleza de la luz (Volver al índice)

Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"