domingo, 15 de noviembre de 2009

Mitos cuánticos, parte II


Mitos y leyendas sobre Mecánica Cuántica (Parte II: la dualidad onda-corpúsculo)

Resolver el espectro de radiación del cuerpo negro plantó la semilla a un nuevo paradigma que estaba por venir.

Acabar con la concepción clásica de la energía como algo continuo abría las puertas a un nuevo mundo que poco después asistiría a una nueva revolución conceptual: en 1905 Albert Einstein revolucionaría la Física con la Teoría Especial de la Relatividad. Sin embargo, esta nueva Física, la del microcosmos avanzaría al principio sin tener en cuenta los descubrimientos de Einstein en ese campo por lo que, al menos por ahora, lo pasaremos por alto.

Hasta el momento, no se habían introducido cambios significativos en cuanto a la materia se refiere. Es decir, se sabía desde hacía mucho que la materia estaba compuesta por entes discretos (individuales) llamados átomos. En 1897 Joseph John Thomson había descubierto el electrón haciendo experimentos con rayos catódicos y se dió cuenta de que era una partícula fundamental de la naturaleza. Posteriormente, en 1909, Millikan en su célebre experimento confirmó su existencia. Estos experimentos ayudaron a comprender mejor la estructura de la materia y a poder formular así nuevos modelos que permitieran explicar los átomos. No obstante, más que el descubrimiento realizado por J.J. Thomson nos interesa el que años más tarde realizó su hijo, y del que hablaremos posteriormente.

En 1905, como dije antes, Einstein publicó cinco trabajos de gran importancia. Uno de ellos fue la explicación teórica al llamado efecto fotoeléctrico. Dicho efecto consiste en que al hacer incidir radiación electromagnética (luz) sobre la superficie de un metal, ésta absorbe la radiación y se emiten electrones de su superficie.


Según el Electromagnetismo Clásico, al aumentar la intensidad de la radiación, deberían ser arrancados más electrones de la superficie. Sin embargo, la cantidad de electrones emitidos era independiente de la intensidad: lo único que importaba era la frecuencia de la radiación incidente. Es decir, no bastaba con irradiar el metal, había que darle la energía suficiente a un electrón para que fuese arrancado de la superficie. Y esta energía había que suministrarla en la cantidad exacta.

Einstein explicó que para que un electrón fuese arrancado de su órbita, había que aportarle una cierta energía que sería mayor o menor dependiendo de lo fuertemente ligado que estuviera al átomo. Por eso no servía cualquier frecuencia, había que incidir con la frecuencia justa, ni más, ni menos, para que el electrón fuese arrancado hace falta aportarle una energía igual o mayor que un cierto umbral llamado trabajo de extracción. Es decir, el electrón absorbería un corpúsculo de luz, de energía h \nu (donde h es la constante de Planck y \nu la frecuencia) y sería emitido.Einstein por tanto, había utilizado la cuantización de la energía para resolver este problema. Por la demostración experimental del Efecto Fotoeléctrico recibió el premio Nóbel de Física en 1921.

La cuantización de la energía era ya un hecho innegable.

En el año 1924, Louis de Broglie presentaba su tesis doctoral titulada "Recherches sur la théorie des quanta". En ella se postulaba la que posteriormente se llamaría "hipótesis de de Broglie" que afirma que la materia tiene una onda asociada. Es decir, que del mismo modo que la radiación tenía una partícula asociada, la afirmación recíproca también debería ser cierta. Esta afirmación se conoce por el nombre de "dualidad onda-corpúsculo".

Por tanto, la materia debería tener propiedades ondulatorias tales como la interferencia y la difracción.Si dos ondas que se propagan en el espacio coinciden en un punto, entonces interfieren y puede ocurrir que la interferencia sea constructiva y la amplitud de la señal se vea aumentada o que la interferencia sea destructiva y la amplitud de la señal disminuya considerablemente.

En este experimento se hace incidir una onda contra una superficie que posee dos agujeros. En cada orificio se crean ondas nuevas que interfieren entre sí y finalmente, inciden en una pantalla. En las zonas donde la interferencia es constructiva, se registra un máximo de luz mientras que en las zonas donde la interferencia es destructiva se registra un mínimo.

El problema es ahora explicar esto con los electrones, que son partículas. Los electrones se difractan al igual que ocurre con las ondas del experimento de Young. Pero más aún: incluso cuando los electrones son emitidos de uno en uno, aparece patrón de interferencia en la pantalla. Esto se podría interpretar como que el electrón ha interferido consigo mismo, para lo cual, requeriría haber estado simultáneamente en los dos orificios para luego interferir.

No obstante, esta explicación es una lectura un poco drástica de los hechos y no es una conclusión seria. Lo cierto es que el paradigma clásico de considerar ondas por un lado y materia por otro, a estas escalas deja de tener sentido y ocurren cosas exóticas y curiosas como esta. ¿Hasta qué punto el sentido común no son prejuicios sobre lo que creemos que debe ser correcto? Sin querer entrar en discusiones acerca de la filosofía de la ciencia, dejo abierta esta pregunta.

Hay que decir, para finalizar esta parte, que una de las cosas que más dificultan el aprendizaje de la Mecánica Cuántica no es tanto la complejidad matemática, que la tiene, sino el montón de prejuicios que sin darnos cuenta introducimos subjetivamente para intentar explicar un mundo sobre el que no tenemos intuición alguna. Nosotros vivimos a otra escala en todos los sentidos: temporal, espacial y energética. Aplicar lo que consideramos lógico no siempre es buena idea en este mundo. Por eso, una buena manera de adentrarse en el estudio serio de la Mecánica Cuántica es dejarse los prejuicios a las puertas y dejar que por un lado la teoría y por otro la experimentación nos guíe.

No todo es lo que parece, a menudo, se nos muestran como contradictorias cosas que no tienen por qué serlo si se analizan en el marco adecuado y, desde luego, el mundo macroscópico no es el más idóneo para hacer analogías con el mundo cuántico. Pero qué remedio, vivimos en él y tenemos tendencia a buscar símiles para entender las cosas.

Siendo positivistas, debemos admitir como válida la dualidad onda corpúsculo en tanto a que todos los experimentos corroboran esta suposición teórica. Es una situación análoga a la distinción entre materia y energía, o entre espacio y tiempo. Esas distinciones tienen sentido en nuestro mundo de bajas velocidades, pero en el mundo relativista que visitaremos no dentro de mucho, no tiene sentido tratarlos como entes diferentes.

Así pues, abajo los prejuicios. En la próxima entrega se hablará sobre la probabilidad, la pérdida del determinismo y del principio de incertidumbre.

Fuente: http://www.migui.com/ciencias/fisica/mitos-y-leyendas-sobre-mecanica-cuantica-parte-ii-la-dualidad-onda-corpusculo.html