¿Es la dualidad onda-partícula una dualidad real?

La dualidad es la relación entre dos entidades que se afirma que son fundamentalmente igualmente importantes o legítimas como características del objeto subyacente.

La definición precisa de una "dualidad" depende del contexto. Por ejemplo, en la teoría de cuerdas, una dualidad relaciona dos descripciones aparentemente no equivalentes de un sistema físico cuyas consecuencias físicas, cuando se estudian con absoluta exactitud, son absolutamente idénticas.

La dualidad onda-partícula (o dualismo) no está lejos de esta forma "extrema" de dualidad. De hecho, dice que los objetos como los fotones (y las ondas electromagnéticas compuestas por ellos) y los electrones exhiben propiedades tanto de onda como de partícula y son igualmente naturales, posibles e importantes.

De hecho, podemos decir que hay dos descripciones equivalentes de partículas: en la base de la posición y en la base del momento. El primero corresponde al paradigma de partículas, el segundo corresponde al paradigma de ondas porque las ondas con longitudes de onda bien definidas están representadas por objetos simples.

Ciertamente no es cierto que Young estaba equivocado y Newton tenía razón. Hasta el siglo XX, parecía obvio que Young tenía más razón que Newton porque la luz indiscutiblemente exhibe propiedades ondulatorias, como se ve en los experimentos de Young y en los fenómenos de interferencia y difracción en general. Los mismos fenómenos ondulatorios se aplican a los electrones que también se comportan como ondas en muchos contextos.

De hecho, la "teoría de casi todo" de última generación se llama teoría cuántica de campos y se basa en los campos como objetos fundamentales, mientras que las partículas son solo sus excitaciones cuantizadas. Un campo puede tener ondas y la mecánica cuántica simplemente dice que para una frecuencia fija$f$, la energía transportada en la onda debe ser un múltiplo de$E=hf$. El número entero que cuenta el múltiplo se interpreta como el número de partículas, pero los objetos son más fundamentalmente ondas.

También se puede adoptar una perspectiva o descripción en la que las partículas parezcan más elementales y los fenómenos ondulatorios sean sólo una propiedad secundaria de ellas.

Ninguno de estos dos enfoques es incorrecto; ninguno de ellos es "cualitativamente más preciso" que el otro. Son realmente igualmente válidos e igualmente legítimos, y matemáticamente equivalentes, cuando se describen correctamente, razón por la cual la palabra "dualidad" o "complementariedad" es tan apropiada.

Efectivamente, como destaca el sitio web del CERN

Las teorías y los descubrimientos de miles de físicos durante el último siglo han dado como resultado una visión notable de la estructura fundamental de la materia: todo en el universo está hecho de doce bloques de construcción básicos llamados partículas fundamentales, gobernados por cuatro fuerzas fundamentales.

Debe enfatizarse que se refieren a partículas cuánticas. Una partícula cuántica no es una partícula newtoniana. Una partícula cuántica no es una onda. Una partícula cuántica nunca se comporta como una onda y esta es la razón por la que la disciplina que estudia partículas cuánticas como electrones, quarks o fotones se denomina "física de partículas" y no "física de ondas".

Su pregunta sobre la dualidad onda-partícula está bien respondida en el sitio de Klein :

la verdadera dualidad onda-partícula no existe.

El sitio también revela detalles históricos interesantes sobre cómo las creencias incorrectas sobre la dualidad y la complementariedad se basaron en los primeros malentendidos de la teoría cuántica, además de algunas limitaciones tecnológicas del aparato utilizado en los primeros experimentos de interferencia de doble rendija.

¿Son las "partículas" realmente "ondas"? En los primeros experimentos, los patrones de difracción se detectaban holísticamente por medio de una placa fotográfica, que no podía detectar partículas individuales. Como resultado, creció la noción de que las propiedades de las partículas y las ondas eran mutuamente incompatibles, o complementarias, en el sentido de que se requerirían diferentes aparatos de medición para observarlas. Esa idea, sin embargo, fue solo una desafortunada generalización de una limitación tecnológica. Hoy es posible detectar la llegada de electrones individuales y ver emerger el patrón de difracción como un patrón estadístico formado por muchos puntos pequeños (Tonomura et al., 1989).

Hoy sabemos que la dualidad onda-partícula no existe y la literatura moderna evita el término:

La milagrosa "dualidad onda-partícula" continúa floreciendo en textos populares y libros de texto elementales. Sin embargo, la tasa de aparición de este término en los trabajos científicos ha ido disminuyendo en los últimos años (lo mismo ocurre con la noción de complementariedad de Bohr).

De hecho, si existiera o jugara un papel fundamental una dualidad onda-partícula, se encontraría en los libros de texto modernos. Un crítico en los comentarios apela a la teoría cuántica de campos, pero el hecho es que no se puede encontrar el término "dualidad onda-partícula" en los índices de libros de texto recientes de teoría cuántica de campos como el de Weinberg (Volumen I) o en clásicos como el de Mandl. y Shaw. ¿Por qué? Porque no existe una "dualidad onda-partícula" en la naturaleza.

También puede consultar el glosario científico del CERN y verificar que no hay ninguna entrada o mención a "dualidad onda-partícula". ¿Por qué? Porque no existe una "dualidad onda-partícula" en la naturaleza.

Algunas personas creen que las funciones de onda utilizadas en algunas formulaciones de QM son ondas reales, pero esto es un error. Una onda es un sistema físico que transporta energía y cantidad de movimiento. Una función de onda es una función matemática que no se puede observar. Las funciones de onda son solo una forma aproximada de representar los estados de los objetos cuánticos verdaderos en ciertas formulaciones de QM. El estado cuántico de un sistema abierto no puede representarse mediante una función de onda. No es una mera cuestión de semántica.

Como explica claramente el sitio de Klein citado anteriormente, todos los fenómenos cuánticos, incluidos los patrones de interferencia, pueden explicarse sin ninguna dualidad onda-partícula.

También se analizarían experimentos como el de la doble rendija con electrones. Como se indicó anteriormente, hoy en día es posible detectar la llegada de electrones individuales y ver emerger el patrón de difracción como un patrón estadístico formado por muchos puntos pequeños. Para obtener el patrón de interferencia estadística , debe repetir el experimento durante un período de tiempo y superponer los resultados de cada una de las ejecuciones individuales en una cifra estadística final.

El patrón de interferencia estadística observado corresponde a una distribución estadística de posiciones de diferentes partículas en diferentes tiempos. No hay comportamiento de onda para un solo electrón:

Las manifestaciones del comportamiento ondulatorio son de naturaleza estadística y siempre surgen del resultado colectivo de muchos eventos de electrones. En el presente experimento no se percibe nada similar a una onda en la llegada de electrones individuales al plano de observación. Es solo después de la llegada de quizás decenas de miles de electrones que surge un patrón interpretable como una interferencia similar a una onda.

Tenga en cuenta que el autor escribe correctamente "tipo onda", porque no se detecta una onda real en el experimento , solo se observa un patrón estadístico en el detector.

@annaV escribió un comentario excelente sobre nuestra comprensión moderna de este experimento. Agregaría que los avances recientes en la teoría cuántica nos permiten calcular la trayectoria de cada partícula en el experimento. El resultado de la simulación teórica de la partícula seguida por cada partícula en un experimento de doble rendija es

que predice exactamente el comportamiento observado y el patrón de interferencia exacto en el experimento de doble rendija.

Desafortunadamente, el desarrollo de la mecánica cuántica ha estado plagado de mitos y conceptos erróneos. Recomendaría el libro de texto de Ballentine para un tratamiento riguroso y avanzado de la mecánica cuántica sin viejos conceptos erróneos como la "dualidad onda-partícula":

Este enfoque reemplaza los argumentos heurísticos pero no concluyentes basados ​​en la analogía y la dualidad onda-partícula, que tanto frustran al estudiante serio.

Quantum Mechanics a Modern Development se considera uno de los mejores libros de texto de la actualidad.

Creo que estará menos confundido por las respuestas si tiene en cuenta que las ecuaciones de onda son ecuaciones diferenciales específicas que se aplican a muchos sistemas clásicos que se han estudiado durante más de dos siglos con gran detalle en su aplicación a la luz, el sonido y los fluidos.

Dio la casualidad de que las ecuaciones diferenciales que primero describieron el comportamiento cuantificado observado del microcosmos, como la ecuación de Schroedinger , también son ecuaciones de onda. Por eso se habla de funciones de onda. Pero, y es algo que hay que recalcar una y otra vez, lo que describen las soluciones de la mecánica cuántica no son ondas del tamaño de la "partícula" en$(x,y,z,t)$pero la probabilidad de encontrar una "partícula" en$(x,y,z,t)$o con un cuatro vector$(p_x,p_y,p_z,E)\;.$

La terminología "partícula", que es útil en la física clásica como, por ejemplo, en las moléculas de un gas ideal, es lo que crea aquí la confusión. Deberíamos llamarlos "entidades elementales" que pueden describirse como ondas de probabilidad para algunas manifestaciones, como en la imagen de dos rendijas en la respuesta de Juanrga aquí, y a veces como partículas de comportamiento clásico, es decir, que tienen coordenadas específicas y cuatro vectores específicos que describen su movimiento. , para otros comportamientos.

Estos pares de electrones y positrones aparecen en puntos específicos.$(x,y,z,t)$con cuatro vectores específicos en esta foto de cámara de burbujas.

Mire, el disparo de electrones secuenciales uno a la vez en la configuración experimental de doble rendija sí revela eventos de detección de un solo electrón en la placa detectora; y también es cierto que después de muchos de estos eventos surge un patrón que es consistente con un patrón de interferencia. ¡Simplemente decir que el patrón de interferencia resulta del patrón estadístico de muchos eventos de detección no explica en absoluto por qué ese patrón es consistente con la interferencia de ondas! Los eventos de detección individuales son de hecho consistentes con la naturaleza de la partícula del electrón, pero el patrón de interferencia de onda después de que se acumulan muchos de estos eventos individuales es consistente con la naturaleza de onda del electrón. En lugar de descartar la naturaleza ondulatoria del electrón, lo que se ha descrito en realidad demuestra bastante claramente la dualidad onda-partícula que algunos han intentado negar como real. El patrón de interferencia debe explicarse exclusivamente en términos de física de partículas si se quiere negar la naturaleza ondulatoria del electrón y eso todavía no lo he visto. Por otro lado, todavía no he escuchado una explicación de cómo una "onda de probabilidad" puede exhibir una interferencia física real si es solo una abstracción matemática. Por lo tanto, el aspecto ondulatorio de la dualidad onda-partícula también necesita ser explicado o comprendido más a fondo.

Si bien todo está compuesto de partículas, no son las típicas partículas de " bola de billar " porque tienen una fase.

^fuente

La consecuencia de esto es que demuestran ejemplos de interferencia cuando se configuran adecuadamente. Por ejemplo:

• En el experimento de la doble rendija , las partículas golpean la pantalla según patrones de interferencia en lugar de simples dispersiones.

• En un átomo, los electrones están ligados a orbitales específicos que corresponden a sus frecuencias de resonancia .

y muchos más.

En otras palabras, ¿no estaba Young equivocado y Newton en lo cierto, en lugar de que ambos tuvieran razón?

La localización define lo que la mayoría de los físicos considerarían partículas, es decir. sí, el éter de Newton - liberando a la naturaleza de su etapa inerte. Pero la física del siglo XX todavía depende del escenario inerte y no puede negar que las ondas están en el corazón del SM. Pero si podemos modificar las matemáticas, ¿entonces nos deshacemos de las ondas (como dice alguien en el CERN)? Todavía NO . La dualidad es un principio profundo para un mundo cuántico, incluso si la naturaleza de las ondas aún debe resolverse en la teoría de la información cuántica.

Recuerde que el principio de incertidumbre de Heisenberg se puede derivar tomando la regla de de Broglie para ondas-materia (resolución límite de longitudes de onda). Este uso de la masa es más físico que el clásico, donde en realidad es solo un parámetro. (Irónicamente, como saben, fue Newton (y Descartes y Galileo) quienes iniciaron la confusión de la etapa inerte). Ahora se nos enseña a pensar en ondas de luz en un 'vacío' a la Maxwell, pero esto haría que Newton se revolviera en su tumba. Necesitamos pensar en el espacio-tiempo de fondo que emergede los campos em. Este es el punto de vista moderno (pero nadie parece entenderlo todavía). Luego, las ondas y las partículas describen dos propiedades distintas del espacio-tiempo: una local (eventos) y otra no local (interferencia, etc.). Suponemos que las nuevas teorías requieren ambos tipos de información. Todo esto es una simplificación excesiva, pero vea cómo Newton solo es adecuado para las ideas del siglo XX, y no más allá. Entonces, Young todavía está equivocado en el contexto del viejo éter, pero la continuidad de las ideas desde la óptica clásica hasta QM y QFT no se puede olvidar a medida que separamos la idea de las funciones de onda. Tenga en cuenta también que los experimentos históricos fueron muy cuidadosos para demostrar que tanto las ondas como las partículas son aspectos de la naturaleza subyacente, y nuestra comprensión débil.

Entonces, ¿dónde está De Broglie ahora? El principio de incertidumbre en la teoría de cuerdas utiliza dualidades matemáticas profundas (STU). En principio, proviene de un principio de De Broglie modificado (no conozco un buen árbitro, lo siento). Esto va mucho más allá del WPD original, pero creo que resalta la importancia del WPD. Un evento no es solo un punto del espacio-tiempo clásico (porque esto no es físico en una teoría con incertidumbre), por lo que WPD es, en cierto sentido, la mejor idea que tenemos para construir estados de espacio-tiempo a partir de información local y no local.

Permítanme mostrarles primero este ejemplo, encontramos muchos en la red:

Aquí, los detectores son las caras de la caja donde está el cilindro. La mayoría de las veces este ejemplo se usa para ilustrar la dualidad onda partícula dualidad. Y como podemos ver los detectores pueden detectar un círculo (en el detector amarillo) o un cuadrado (en el detector azul). Pero el cilindro no es un cuadrado, ni un círculo, ni más los dos al mismo tiempo. Es solo un cilindro.

Entonces, en realidad, no hay realmente una dualidad de partículas de onda.

Lo que podemos decir es más como esto: En física tratamos de encontrar la ecuación que rige el comportamiento de las cosas, y para eso usamos las matemáticas, y en todos los casos decimos (y debemos decir si es una aproximación) todo va así si (aquí está el punto explicar abajo) es esto o aquello.

Explicación:

Considere solo una cosa simple que podemos hacer en mecánica. Si quieres saber qué le pasa a un objeto si lo lanzas al aire. Si consideras que es solo su peso como fuerza y ​​no más, encontrarás que su camino es una parábola. Y si haces una película de tu objeto en el aire, y miras su posición imagen por imagen, concluirás " todo va como sila trayectoria de mi objeto es una parábola". Pero en realidad está mal, hay fricciones debidas al aire, y la tierra gira, entonces hay alguna fuerza de inercia, etc. Luego, con el tiempo, obtenemos más y más precisión en nuestro cálculo, y si conoce diferentes ecuaciones para su camino y si tiene un detector muy bueno (en lugar de sus ojos) tendrá la posibilidad de decir "oh, sí, es como si todo fuera como esta solución de esta ecuación que intenta representar.

Ahora volvamos a la dualidad. Tenemos algunas ecuaciones que explican más o menos bien lo que ocurre en la mecánica cuántica. Y para algunas soluciones de algunas ecuaciones podemos decir en el experimento de Young que todo funciona como si las "partículas" fueran ondas, y para el efecto fotoeléctrico podemos decir que todo funciona como si las "partículas" fueran partículas. Pero en realidad no sabemos qué son exactamente. Y como vemos con el cilindro, podemos concluir que debería ser posible que las "partículas" no sean partículas u ondas y no más las dos al mismo tiempo.

Cuando Einstein trató de explicar los fenómenos fotoeléctricos, no representó los fotones como partículas, sino como una densidad de energía esparcida en un espacio muy pequeño (aquí es difícil para mí traducir del francés, le preguntaré a un amigo y cambiaré más tarde) si está mal) una onda electromagnética que es la luz. Y el fotón se representa simplemente como la energía que transporta.

Como conclusión, lo que podemos decir es que la dualidad onda partícula no es realmente real, en algún momento para resolver un problema será más fácil considerar que la "partícula" es una onda porque las ecuaciones funcionan mejor con, y para algunos otros problemas las considerará como partículas por las mismas razones. Pero no sabemos qué son exactamente, y están definidos en matemáticas tiene densidad de probabilidad, y en la realidad todo va como si fuera el caso, pero en la realidad (sin medida, porque como se puede ver en mi ejemplo de el cilindro, la medida transforman la realidad en algo realmente diferente, aquí objetos de dos dimensiones por uno en tres dimensiones) debe ser algo realmente diferente de eso, quizás nunca veamos, o nunca imaginemos porque nuestro cerebro es demasiado limitado.

Tu percepción de la realidad se basa en tu coeficiente intelectual desarrollado en el mundo cotidiano. No lo apliques para entender el mundo cuántico.

Todos los habitantes del reino cuántico son algo que aún no hemos entendido completamente. No son partículas ni ondas... son otra cosa. Nuestros lenguajes cotidianos no tienen palabras para nombrar este tipo de cosas.

El experimento de doble rendija de Young dice que son ondas (el experimento de doble rendija también se puede realizar con átomos, electrones, etc., no solo con luz). Compton Scattering & Photoelectric Effect dicen que son partículas. Combinando los resultados de todos los experimentos válidos, poseen propiedades tanto de onda como de partícula al mismo tiempo. El sentido común puede negar eso, pero es cierto.

La versión moderna del experimento de la doble rendija de Young:
en caso de que no lo sepa, cuando la luz de la misma fuente pasa a través de dos rendijas paralelas, se forma un patrón de interferencia como un código de barras en la segunda pantalla. Es como la interferencia de las ondas de agua.

En la versión moderna del experimento, se colocan detectores sensibles en muchos lugares de la segunda pantalla para contar la llegada de fotones. Los resultados son interesantes: es el mismo que el resultado original de Young. La banda blanca obtiene un número muy alto de fotones y la banda negra casi no recibe fotones. Pero, el problema es: la interferencia es una propiedad de las ondas. ¿Cómo puede ser con el modelo de partículas? No hay coordinación entre los fotones. Están completamente solos. ¿Cómo puede un fotón saber dónde aterrizaría su compañero fotón? Bueno, la solución a esto es algo complicada. Vea abajo.

Para visualizar el concepto de dualidad más claramente, observe la explicación moderna del experimento de doble rendija de Young con la ecuación de Schrödinger :
La luz se revela como una corriente de partículas o como una onda. No vemos las dos caras de la moneda al mismo tiempo. Entonces, cuando observamos la luz como una corriente de partículas, no existe ninguna onda que informe a esas partículas sobre cómo comportarse y viceversa. Para resolver el problema, Erwin Schrödinger propuso una idea (los físicos se lanzaron inicialmente, pero se convirtió en un cambio de juego de toda la física). Imaginó una onda matemática abstracta que se propaga por el espacio, encuentra obstáculos y se refleja y transmite, como una onda de agua que se propaga en un estanque. En lugares donde la altura de la ola era grande, la probabilidad de encontrar una partícula era más alta, y en lugares donde era pequeña, la probabilidad era más baja.
Con la onda de probabilidad descrita por la ecuación de Schrödinger, se puede ver esta extraordinaria propiedad del fotón: dado que el fotón puede transmitirse desde la rendija 1 o la rendija 2, la ecuación de Schrödinger debe permitir la existencia de dos ondas, una correspondiente al fotón que atraviesa la rendija 1 y otro correspondiente al fotón que pasa por la rendija 2. Nada sorprendente aquí. Sin embargo, si se permite que existan dos ondas, también se permite que exista una superposición de ellas. Para las olas en el mar, tal combinación no es nada fuera de lo común. Pero, aquí la combinación corresponde a algo extraordinario: ¡El fotón se transmite desde ambas rendijas simultáneamente!

Lo mismo es cierto para cualquier otro habitante del mundo cuántico. Significa que un átomo, electrón, etc. puede existir en más de un lugar a la vez y hacer varias cosas a la vez (lo fundamental de la próxima computadora cuántica). Si ve el modelo de partículas de esta manera (que es 100% correcto), su sentido común no rechazará el modelo de ondas.

En mi humilde opinión, diría que, hablando de fotones (y luego generalizando): Newton mostró que la luz se comportaba como una partícula, mientras que Huygens mostró que la luz se comportaba como una onda. Seguramente ambos tienen/tenían razón, ¡ya que acaban de demostrarlo! Lo que se entiende por "comportamiento de ondas" o "comportamiento de partículas" puede cuestionarse, pero asumo que todos aquí están más o menos de acuerdo a lo que me refiero.

¡La mecánica cuántica (QM) acaba de terminar la pelea unificando la imagen y mostrando que ambas descripciones son pertinentes a los estados de la materia! QM muestra que una partícula es descrita por una función de onda (todos aquí estarían de acuerdo en esto), y por lo tanto por una onda. Aunque la función de onda seguramente no es la onda clásica convencional, seguramente manifiesta propiedades de onda, como fase e interferencia; estos son justo lo que todos nosotros aquí estamos de acuerdo en referirlos al "comportamiento de partículas".

En lo anterior, creo que todos están de acuerdo. Lo que algunos de nosotros podríamos tener opiniones diferentes son afirmaciones como "cuando se detecta el comportamiento de las partículas, no se puede mostrar el comportamiento de las ondas" y viceversa. Este principio de exclusión es de alguna manera evanescente y necesita definir con precisión lo que entendemos por comportamiento de partículas u ondas. Por lo general, las definiciones en las que se basan los experimentos son: "las partículas" se detectan en una posición definida, mientras que las ondas interfieren". Se ha demostrado que cuando se detecta "en qué dirección" ha pasado la partícula (comportamiento de la partícula), la interferencia desaparece. Tan pronto como borras esta información, aparece la interferencia. Si limitamos el principio de exclusión a esto, nuevamente creo que todos aquí están de acuerdo.

Prefiero responderlo de esta manera. La partícula x o la onda x puede ser una partícula y puede ser una onda pero no medidas al mismo tiempo. La dualidad creo que se refiere a las matemáticas. La matemática es consistente en ambos casos. Las matemáticas no tienen una descripción de cuándo esta entidad debe ser una partícula o una onda si se miden al mismo tiempo. No creo que ningún experimento haya medido la naturaleza de las partículas y la naturaleza de las ondas al mismo tiempo. Por ejemplo, en el experimento de la doble rendija, no ve el tubo fotomultiplicador haciendo clic en un fotón al mismo tiempo que ve un patrón de interferencia en primer plano, ¿verdad? La dualidad existe pero no hay nada que dicte que la dualidad no puede seguir la ley del tercero excluido.

Sería completamente erróneo insistir en que no existe un fenómeno como la dualidad onda-partícula sin antes definir exactamente lo que se quiere decir con el término. No hay duda de que las partículas de todo tipo, incluidas las moléculas grandes que constan de muchos átomos, exhiben comportamientos de interferencia, a pesar del hecho de que las partículas fundamentales siempre aparecen como puntos cuando se detectan. Una búsqueda en Internet muestra que el término dualidad onda-partícula y los términos asociados, como "ondas de materia", se usan ampliamente en libros de texto y artículos de investigación publicados recientemente.

Lo que sería igualmente erróneo es interpretar el término en el sentido de que la función de onda asociada con una partícula es de alguna manera una versión borrosa de la propia partícula. Las funciones de onda son entidades matemáticas complejas que pueden usarse para modelar varias probabilidades asociadas con el comportamiento de las partículas con las que están asociadas.

Cualquiera que afirme que no existe la dualidad onda-partícula no hace justicia al misterio de la mecánica cuántica. Uno no puede barrer la dualidad onda-partícula debajo de la alfombra. Sin embargo, la afirmación tantas veces repetida de que un electrón o un fotón puede ser como una onda o una partícula según se observe es incorrecta.

La dualidad onda-partícula se puede resumir brevemente de la siguiente manera. Los electrones y fotones, quarks, etc. son partículas puntuales, pero su comportamiento está gobernado por ondas o funciones de onda. A su vez, las funciones de onda no son observables, pero sus consecuencias son sorprendentemente evidentes.