Uno de los hechos más sorprendentes en física es el siguiente:
todo en el universo, la luz, los electrones, los átomos,
se comportan como partículas y ondas al mismo tiempo.
Todo lo raro que pueden haber oído de la física cuántica,
el gato de Schrodinger, Dios y los dados, la acción fantasmal a distancia,
todo eso se deriva del hecho
de que todo tiene naturaleza de partícula y de onda a la vez.
Puede parecer loco.
Si miran alrededor, verán ondas en el agua y partículas en la roca,
y no se parecen en nada.
¿Por qué pensarlas combinadas entonces?
Los físicos no decidieron mezclar estas cosas de la nada.
Más bien, llegaron a la naturaleza dual del universo
a través de un proceso de pequeños pasos,
encajando mucha evidencia, como piezas de un rompecabezas.
La primera persona que sugirió seriamente la naturaleza dual de la luz
fue Albert Einstein en 1905,
pero tomó una idea anterior de Max Planck.
Planck explicó los colores de la luz emitida por objetos calientes,
como el filamento de una bombilla de luz,
pero para hacerlo, necesitaba un truco desesperado:
dijo que el objeto estaba compuesto por osciladores
que podían emitir luz en trozos discretos,
unidades de energía que dependen de la frecuencia de la luz.
Planck no estaba muy contento con esto, pero Einstein la tomó y siguió con eso.
Aplicó la idea de Planck a la luz en sí, diciendo que la luz,
que todo el mundo sabía que era una onda, es realmente un flujo de fotones,
cada uno con una cantidad discreta de energía.
Einstein mismo llamó a esto lo único verdaderamente revolucionario que hizo,
dice que la luz que brilla en un metal golpea electrones sueltos.
Incluso quienes odiaban la idea tenían que aceptar que funciona brillantemente.
La siguiente pieza del rompecabezas vino de Ernest Rutherford, en Inglaterra.
En 1909, Ernest Marsden y Hans Geiger, trabajando para Rutherford,
dispararon partículas alfa a átomos de oro
y se sorprendieron al ver que algunas rebotaban hacia atrás.
Esto mostró que la mayoría de la masa atómica
se concentra en un pequeño núcleo.
El átomo de caricatura que aprendes en la primaria,
con los electrones en órbita como un sistema solar en miniatura,
eso es de Rutherford.
Hay un pequeño problema con el átomo de Rutherford: no funciona.
La física clásica nos dice que un electrón
que gira en círculos emite luz,
y usamos esto todo el tiempo para generar ondas de radio y rayos X.
Los átomos de Rutherford esparcen rayos X por doquier durante un breve instante
antes de que las espirales de electrones choquen contra el núcleo.
Pero Niels Bohr, un físico teórico danés que trabaja con Rutherford,
señaló que, obviamente, los átomos existen,
así que quizá las reglas de la física tenían que cambiar.
Bohr propuso que un electrón en ciertas órbitas especiales
no emite luz en absoluto.
Los átomos absorben y emiten luz solo si los electrones cambian de órbitas,
y la frecuencia de la luz depende de la diferencia de energía
en la manera que presentaron Planck y Einstein.
El átomo de Bohr soluciona el problema de Rutherford
y explica por qué los átomos emiten solo colores muy específicos de la luz.
Cada elemento tiene sus propias órbitas especiales,
y por lo tanto su propio y único conjunto de frecuencias.
El modelo de Bohr tiene un pequeño problema:
no hay razón para que esas órbitas sean especiales.
Pero Louis de Broglie, un estudiante de doctorado francés,
hizo cerrar el círculo.
Señaló que si la luz, que todos sabían es una onda,
se comporta como una partícula,
quizá el electrón, que todos sabían que es una partícula,
se comporta como una onda.
Y si los electrones son ondas,
es fácil de explicar por qué la regla de Bohr tiene órbitas especiales.
Una vez que tienes la idea de que los electrones se comportan como ondas,
puedes ir en su búsqueda.
Y en unos años, científicos de EE.UU. y el Reino Unido
observaron comportamiento de ondas en electrones.
Hoy tenemos una demostración maravillosamente clara de esto:
disparar electrones individuales en una barrera con ranuras cortadas en ella.
Cada electrón se detecta en un lugar específico en un momento específico,
como una partícula.
Pero al repetir el experimento muchas veces,
todos los electrones individuales trazan un patrón de rayas,
característico de las ondas.
La idea de que las partículas se comportan como ondas, y viceversa,
es de las más extrañas y más poderosas de la física.
Richard Feynman dijo la famosa frase
que esto ilustra el misterio central de la mecánica cuántica.
Todo lo demás se deriva de esto,
y encaja como piezas de un rompecabezas.