Ni onda ni partícula: historia de una dualidad

“¿Qué es la luz?”

“Bueno, eso depende de a quién le preguntes. Durante muchos años se pensó que era una especie de fluido hecho de partículas. Luego, en el siglo XIX, se descubrió que era un tipo de onda electromagnética. Y al llegar la física cuántica en el siglo XX nos dimos cuenta de que ambas cosas son verdad: es onda y partícula al mismo tiempo”.

Esta historia, más o menos desarrollada, la encontramos en la mayoría de los libros de física de bachillerato. Es el reflejo de un debate muy antiguo, que se remonta a hace cien años, y sobre el que el propio Albert Einstein dijo: “Parece como si a veces nos viéramos obligados a usar una teoría y a veces la otra, mientras que en otras ocasiones podemos usar cualquiera de las dos. Nos enfrentamos a un tipo de dificultad completamente nueva: tenemos dos teorías contradictorias sobre la realidad. Por separado ninguna de ellas explica los fenómenos luminosos, pero juntas sí lo hacen”.

Esencialmente, el núcleo del problema era que los físicos se habían pasado todo el siglo XIX encontrando evidencias de que la luz era un fenómeno ondulatorio, pero durante los primeros años del siglo XX se descubrieron algunos fenómenos que sólo tenían sentido si la luz estaba hecha de pequeñas bolitas. Y la situación había empeorado con el tiempo: en la década de 1920 se descubrió que los electrones, que nadie dudaba que eran pequeñas pelotitas, se comportaban en los experimentos de Thomson y Davisson como si fueran ondas. Estos hechos aparentemente irreconciliables se conocen como la dualidad onda-partícula.

Ondas y partículas

Durante siglos, la física había contemplado las ondas y las partículas como fenómenos claramente separados. Las partículas eran objetos muy pequeños, tanto que los podíamos imaginar como pequeñas bolas cuyo volumen no éramos capaces de medir. Las ondas, en cambio, eran objetos extensos, que podían ocupar volúmenes muy grandes: el sonido, por ejemplo, puede llenar una sala de conciertos, o una ola en el mar puede golpear muchos metros de playa al mismo tiempo. Las partículas se movían en línea recta, como esperaríamos de una pelota, y podían chocar contra las cosas y rebotar, como hacen las pelotas. Las ondas, como ocupan mucho espacio, podían chocar con otros objetos, pero también encontrarse consigo mismas, como una serpiente que se encontrara con su propia cola.

Todas estas diferencias hacían impensable que un mismo objeto pudiera ser una onda y una partícula al mismo tiempo. ¿Qué les estaba pasando a la luz y a los electrones? Para conciliar esa aparente contradicción se empezó a manejar el concepto de dualidad, que era una manera de decir que no sabíamos exactamente lo que era la luz, pero sí sabíamos que tenía este comportamiento aparentemente contradictorio. Costó algunos años desarrollar una teoría que permitiese conciliar estas paradojas y entender, al fin, el verdadero carácter de la luz.

El mundo de los campos

Para llegar hasta ella habremos de renunciar a una idea que muchos tenemos muy arraigada: que el mundo está hecho de partículas. O, mejor dicho: que las partículas son lo último que hay, que son las piezas fundamentales con las que el universo está hecho. En la década de 1930 apareció una nueva descripción de la física en la que las partículas no eran objetos fundamentales, sino derivados. Los verdaderos ladrillos de la realidad, el nuevo non plus ultra, eran ahora los campos.

¿Qué es un campo? Es algo que llena todo el espacio y que puede almacenar energía. Esa energía puede estar quieta en una región o puede moverse, y cuando se mueve el campo vibra, oscila, como el aire cuando lo atraviesa el sonido. Si queremos podemos imaginar los campos así, como una especie de “aire” que llena todo el espacio y en el que la energía se mueve en forma de “sonido”. Este “sonido” que transporta energía de un punto a otro es lo que nosotros percibimos como partículas. Las partículas, pues, son energía en tránsito dentro de los campos. No son objetos individuales con entidad propia, sino cosas que les están pasando a los campos.

De la misma forma que antes teníamos varios tipos de partículas, en esta nueva visión de la física tenemos varios tipos de campos: uno para los electrones, otro para la luz, otro para los quarks… y todos esos campos están llenando el espacio y transportando energía de un sitio a otro en forma de partículas. A veces un campo le transmite parte de su energía a otro, y entonces vemos que una partícula desaparece y otra distinta aparece. A primera vista parece una forma muy complicada de entender la realidad: hemos de renunciar al concepto familiar de partícula y sustituirlo por este otro de campo, una cosa que no sabemos de qué está hecha y que llena mágicamente todo el espacio.

A cambio de este esfuerzo los campos nos regalan algunos destellos de conocimiento verdaderamente hermosos: por ejemplo, entendemos al fin por qué todos los electrones son iguales, estén aquí, en la Luna o al otro lado del universo. Todos los electrones son el mismo fenómeno que le está ocurriendo al mismo objeto: el campo de los electrones. También entendemos por qué cuando una partícula se desintegra desaparece y aparecen otras diferentes: lo único que está ocurriendo es que un campo tenía cierta cantidad de energía en forma de una partícula y ha decidido donársela a otros campos, que la utilizan para crear sus propias partículas. Energía en tránsito, al fin y al cabo.

Finalmente, gracias a los campos entendemos un poco mejor la dualidad onda-partícula: desde luego que las partículas parecen ondas a veces, como que son ondas moviéndose a través de un campo. Lo extraño, desde este punto de vista, es que no parezcan ondas siempre.

Recuperando a las partículas

Para reencontrarnos con la noción de partícula habremos de incorporar a nuestro discurso un elemento que hasta ahora estábamos “olvidando”: que la realidad es cuántica. Estará formada por campos que transportan energía de un sitio a otro, pero esos campos son campos cuánticos, y las ondas que los recorren también son cuánticas.

Para lo que nos interesa hoy, eso significa un detalle muy concreto: la teoría cuántica es una teoría de cuantos, o sea: de pedazos, de trocitos. Algunas propiedades sólo pueden aumentar o disminuir en pequeños saltos, como si pusiéramos o quitáramos un pedazo. Un buen ejemplo son los electrones en un átomo, que se organizan en pisos, como si vivieran en un edificio: pueden estar en el nivel 1 o en el nivel 2, pero no hay nivel “uno y medio” o “2,23”. En el átomo, para cambiar de nivel hay que dar un salto.

Este mismo fenómeno ocurre en los campos cuánticos. Hemos dicho que la energía puede moverse por el campo en forma de ondas, y que estas ondas son las partículas, pero es que además son ondas cuánticas: podemos tener una onda, o dos ondas, o tres… pero no podemos tener “tres ondas y media” o “1,87 ondas”. Esto quiere decir que si tengo una onda moviéndose por un campo y quiero robarle energía tengo que llevarme toda la energía. No puedo quitarle la mitad, o una tercera parte: las leyes de la cuántica me lo impedirán y la partícula o bien rebotará o bien pasará de largo.

Lo mismo sucede si quiero crear partículas nuevas: puedo hacerlo inyectando energía en el campo, pero tendré que introducir la energía necesaria para crear una onda, o dos, o tres. Si me paso e inyecto un poco más, lo que sobre se usará para dar velocidad a la partícula, pero no podré crear “un cuarto de partícula”. Si me quedo corto e inyecto menos de lo necesario el campo rechazará esa energía y lo atravesaré sin hacerle nada. Gracias a este carácter cuántico nos encontramos con que estamos trabajando con ondas pero sólo puedo trabajar con un número entero de ellas, exactamente como pasa cuando manejo partículas. En realidad es lógico, porque no hay nada tan cuántico como la propia noción de partícula.

Estos dos conceptos, el de campo por el que se propagan ondas y el de onda cuántica que se crea o se destruye como un todo, constituyen el enunciado moderno de la dualidad onda-partícula. Gracias a esta nueva perspectiva entendemos exactamente qué comportamientos van a ser ondulatorios y cuáles van a ser corpusculares. Esto no hace menos extraño el carácter de la luz y los electrones pero, al menos, nos proporciona un lenguaje que parece más cercano al verdadero carácter de la naturaleza.

QUE NO TE LA CUELEN

• La noción de una dualidad entre ondas y partículas fue acuñada hace un siglo y está esencialmente obsoleta. Las propiedades ondulatorias y corpusculares se entienden hoy de forma mucho más transparente gracias a la teoría cuántica de campos.
• Las partículas se parecen, en realidad, mucho más a ondas que a pequeñas pelotitas, pero cuando se crean o se destruyen lo hacen siempre en cantidades enteras: una, dos, tres cuatro… porque son ondas, pero ondas cuánticas.

REFERENCIAS

• Ball, Philip. Cuántica. Qué significa la teoría de la ciencia más extraña. Turner (2018)
• Whitaker, Andrew. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma. From Quantum Theory to Quantum Information. Cambridge University Press (2006)
• Stodolna, A.S. et al. Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States. Physical Review Letters vol. 110, 213001 (2013)