La luz: ¿ondas o partículas?

 

 

La luz parece tener una naturaleza dual: en el efecto fotoeléctrico se manifiesta como una partícula o corpúsculo y en los fenómenos de interferencia y difracción se manifiesta como una onda. Cuando se manifiesta como partícula se comporta como un todo o nada: está localizada en un punto y toda su energía se concentra en ese punto. Cuando se manifiesta como onda, produce interferencias que sólo pueden explicarse como el resultado de varias ondulaciones que ocupan una región del espacio contrarrestándose en algunos puntos y reforzándose en otros.

 

El siguiente experimento puede aclararnos más sobre la doble naturaleza de la luz. Recordemos el experimento de las dos rendijas del que hablábamos ayer (y que puede usted mismo realizar de modo simulado en uno de los enlaces que recomendábamos). En él, se hace pasar luz monocromática (de un solo color) a través de dos rendijas y se observa en una pantalla un patrón de interferencias en forma de bandas. Supongamos que la luz proviene de un láser y que podemos reducir su intensidad con gran precisión, incluso hasta el punto en el que el láser emite un solo fotón en cada segundo. La pantalla es también suficientemente sensible como para detectar un solo fotón. Una pantalla de este tipo funciona de forma parecida al efecto fotoeléctrico: el fotón cede energía a los electrones de la pantalla y provoca una reacción química en cadena que da lugar a un cambio apreciable en el color o en el brillo de ese punto de la pantalla.

   

Con este experimento podemos pasar de un comportamiento netamente ondulatorio a uno comportamiento netamente corpuscular. Si comenzamos el experimento iluminando las dos rendijas con una intensidad de luz alta, veremos las bandas de interferencia en la pantalla. ¿Qué ocurre si disminuimos la intensidad del láser de modo que un sólo fotón atraviese las rendijas? En este caso no vemos ningún patrón de interferencia.. Al disparar el primer fotón, éste alcanza la pantalla en un punto. El segundo fotón alcanza otro punto de la pantalla. Los impactos no coinciden con lo que se espera de una partícula que ha traspasado una de las dos rendijas, sino que parecen elegidos al azar.

 

Pasados unos segundos observamos que los impactos no son completamente azarosos. Cuando ha llegado un número suficiente de fotones a la pantalla empezamos a distinguir unas nubes de impactos en forma de bandas: ¡los fotones están reproduciendo el patrón de interferencia propio de una onda que atraviesa las dos rendijas!

 

Los fotones no han podido ponerse de acuerdo para dibujar las bandas sobre la pantalla. El fotón número mil no tiene ni idea de donde han ido a parar sus predecesores, ni su trayectoria se puede ver afectada por la de sus compañeros. La única explicación posible es que cada fotón choca en un punto situado al azar, pero no de modo uniforme a lo largo de la pantalla. No todos los puntos de la pantalla tienen la misma probabilidad de ser alcanzados: los que pertenecen a una banda luminosa del patrón de interferencia tienen una alta probabilidad mientras que los que están en una banda oscura tienen una probabilidad muy baja. ¿Qué magnitud física toma valores altos en las zonas luminosas y valores bajos en las zonas oscuras? La intensidad de la luz. Por tanto, la probabilidad de que un fotón alcance un determinado punto de la pantalla es proporcional al intensidad de la onda electromagnética en ese punto.

 

La dualidad onda-partícula va cobrando más sentido: existe una onda que ya no puede interpretarse sólo como una ondulación del campo eléctrico y magnético, sino como una onda de probabilidad. Esta onda sufre intereferencias y todo tipo de fenómenos característicos de las ondas. Sin embargo, cuando queremos medir esa onda, cuando queremos detectarla y para ello hacemos que interaccione con algún aparato de medida, una pantalla, un detector basado en el efecto fotoeléctrico, etc., en ese momento lo que detectamos es una partícula, el fotón, y la detectamos con una probabilidad proporcional a la intensidad de la onda.

 

¿Complicado? Pues aquí no acaba lo peor: lo peor es que no sólo la luz tiene la doble naturaleza onda-partícula; cualquier partícula material, protones, electrones, neutrones, también son al mismo tiempo ondas y partículas.

 

Pueden repetir ustedes mismos el experimento, esta vez con electrones, en el Physics 2000 de la Universidad de Colorado. Cuando lleguen al experimento con electrones, pongan una distancia entre rendijas pequeña, tengan un poco de paciencia y entornen los ojos.

 

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