miércoles, 10 de agosto de 2016

¿Y si fuéramos una onda?



Todo comenzó con una pregunta incómoda… ¿qué era la luz?

Ya en la la edad media, Alhacén concluyó que la luz era "algo" que los objetos emitían o reflejaban, y podía ser percibido por el ojo humano.  De hecho el gran investigador musulmán realizó el primer trabajo científico sobre óptica, estudiando su comportamiento físico… pero, no lograba responder la pregunta fundamental: ¿qué es la luz?

En el siglo XVIII fue Newton quien arriesgó una respuesta: La luz está formada por partículas, y dado su inmenso prestigio, su afirmación fue aceptada sin reparos.

La luz, imaginada como partículas.

Sin embargo, en el Siglo XVII alguien se animó a desmentirlo: Christian Huygens propuso que la luz era un fenómeno ondulatorio y se transmitía en un medio imperceptible que denominó "éter".

La discusión estaba servida, y los condimentos no faltaban… ¿Onda o partícula? la fama sería para quien encontrara la respuesta correcta de forma irrefutable.
Pero la ciencia tiene cosas raras… y el prestigio de Newton se impuso (¿recuerdas la falacia de autoridad?) y todo el mundo olvidó rápidamente los supuestos de Huygens.

Ya en el siglo XIX la balanza empezó a inclinarse cada vez mas y más hacia un lado: los experimentos sugerían un comportamiento ondulatorio… Thomas Young realizó el famosísimo experimento de la doble rendija, demostrando que la luz se comportaba como una onda.
Pero fue en 1848 cuando se dio el golpe de gracia a Newton: las mediciones de la velocidad de la luz en distintos medios mostraban datos absolutamente opuestos a los predichos por Newton.
La luz era indudablemente una onda… pero aún quedaba un pequeño pero insidioso problema: ¿cómo era posible que se propagara también en el vacío?, según Huygens era el "éter", pero nadie lograba encontrar la dichosa "sustancia" que permitía la propagación de la luz en ausencia de un medio material.

La luz, imaginada como ondas

Mientras tanto, en 1845 Michael Faraday, al notar que un campo magnético podía cambiar el ángulo de la luz polarizada, propuso que la luz era un fenómeno electromagnético… y dio con el concepto fundamental que inició todo.

Muy pronto, James Clerk Maxwell describió matemáticamente ese fenómeno. Todo concordaba… la luz, era una onda! hasta que llegó Albert Einstein y determinó magistralmente que la luz también estaba compuesta de "fotones", es decir unidades que podían asumirse como partículas, aquellas que daban origen al efecto fotoeléctrico.

Como decía mi abuelita… "otra vez la burra al trigo".
Pero ahora el problema era mucho mas interesante:
Ya no estábamos ante el dilema de decidir si la luz es una onda o una partícula… estábamos ante algo casi inimaginable:
Los experimentos y la teoría demostraban que la luz era una onda y era una partícula, ambas cosas a la vez; el hecho de que se manifestara de una forma u otra, era meramente una cuestión experimental. La luz, como fenómeno natural, poseía ambas características.
Que pudieras medir unas u otras era cuestión de como armabas tu experimento, incluso si midieras un único fotón, este tendría probabilidades de comportarse de un modo u otro. La física cuántica tomó cuerpo a partir de este asombroso hecho.

La luz, imaginada como partícula y onda a la vez.



Sin embargo (como siempre ocurre en la ciencia), alguien tuvo una idea que nadie había imaginado antes y se planteó una duda muy interesante…
Louis de Broglie se preguntó:
"Si las ondas de luz pueden comportarse como partículas, ¿es posible que las partículas (por ejemplo, los electrones) puedan comportarse como ondas?"
Louis Victor de Broglie

Intrigado, De Broglie hizo un interesante razonamiento matemático:
- Las partículas tienen energía y cantidad de movimiento.
- Las ondas tienen frecuencia y longitud de onda
¿podrían conectarse esas propiedades aparentemente tan distintas?
Max Plank había abierto una puerta: había asociado la energía de un cuanto de luz con la frecuencia de su onda…  en esa ecuación teníamos Energía de un lado y frecuencia del otro.

De Broglie avanzó un poco mas a través de esa puerta, combinando ésta relación con la famosa ecuación de Einstein que relaciona masa y energía, y se preguntó:
¿qué pasaría si no fuera luz lo que viaja, sino una partícula, a velocidad menor que la de la luz (como un electrón en un átomo)?
¿seguiría estando relacionada la masa con una longitud de onda?

De Broglie encontró con un sencillo análisis matemático que la cantidad de movimiento de una partícula está siempre relacionada con una longitud de onda:

Relación entre longitud de onda,
masa, velocidad y la constante de Plank
Era posible entonces, que una partícula pudiera manifestarse como una onda.

La idea era revolucionaria.
Las pruebas no se hicieron esperar: en menos de un año, haces de electrones eran difractados dando patrones de interferencia típicas de ondas, tal como se observaba en los rayos de luz.

De Broglie tenía razón!
De pronto, una intrigante pregunta de la moderna teoría atómica de Bohr obtenía una respuesta simple:
Para Bohr siempre fue intrigante que los electrones solo pudieran estar en determinados niveles orbitales dentro del átomo, mientras les era imposible estar en otros.
Al considerar a los electrones como ondas se explicaba sencillamente esa cuestión: las ondas solo pueden existir en lugares donde suman un numero entero de longitudes de onda, como las cuerdas de una guitarra.
Obviamente los electrones no podían existir donde  el perímetro de la órbita no sumara un numero entero de longitudes de onda, por que eso generaría interferencias destructivas… esas zonas del átomo estaban "prohibidas", ya que allí el electrón no podría perdurar como una onda.
Louis de Broglie había dado con su idea una elegante explicación del modelo atómico de Bohr

orbitales permitidos y prohibidos


Los experimentos no cesaban, y pronto se realizaron también con partículas atómicas más pesadas, como protones y neutrones. Los resultados eran claros: éstos también se comportaban como ondas en determinadas circunstancias.

¿Y qué pasaría con las moléculas?
En 1999 se informó la exitosa difracción del Fulereno, una pesada molécula de 60 átomos de carbono.
Pero claro, cuanto más masiva fuera la partícula o molécula, De Broglie predecía que su longitud de onda sería menor. Para el Fulereno, cuyo diámetro es de aproximadamente un manómetro, la longitud de onda resultante era 400 veces mas pequeña, en el orden de 2,5 picometros. Una onda de menor longitud implicaba energías cada vez mayores.

¿Cual sería la longitud de onda de un objeto aún mayor?
¿podrías determinar y medir la onda de por ejemplo un grano de arena?
¿Y si fueran objetos más masivos aún, como una aceituna o una naranja?
Piénsalo… ¿podríamos nosotros mismos ser una onda?

Según De Broglie, nada lo prohibe:

  • Toda la materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares comportándose de uno u otro modo dependiendo del experimento específico.

Imaginando ondas de materia

Si pudieras convertirte en una onda, nada impediría que atravieses un muro de cemento, o te teletransportes a la velocidad de la luz a cualquier otro lugar (si dispusieras de la inimaginable cantidad de energía para lograrlo, claro).

  • ¿intrigante?… seguro.
  • ¿Probable?… no lo creo, pero no por eso deja de ser divertido imaginarlo!



1 comentario:

  1. si nuestros constituyentes básicos tienen un comportamiento ondulatorio es fácil la conclusión . también somos ondas , ya que si no me equivoco una partícula como intuitivamente lo creíamos como una esfera con textura sólida nunca ha sido observada .

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