Ondas y partículas: El misterio central de la mecánica cuántica - Chad Orzel

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Uno de los hechos más sorprendentes de la física es que todo en el universo, la luz, los electrones, los átomos, se comportan como partículas y ondas al mismo tiempo. Pero, ¿cómo llegaron los físicos a esta conclusión alucinante? Chad Orzel relata la cadena de científicos que hilvanaron descubrimientos para llegar a este "misterio central” de la mecánica cuántica.

Lección de Chad Orzel, animación de Joana Bartolomeu.

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.