En un laboratorio de la universidad donde estudio, hay un detector de rayos gamma. Acercamos una fuente de cesio radiactivo al detector, y el detector hace clic de vez en cuando. Cuanto más cerca está la fuente del detector, más clics escuchamos del detector cada segundo. Mi instructor de laboratorio me dice que la fuente de cesio emite partículas invisibles llamadas fotones. Estas partículas tienen un momento y una posición relativamente bien definidos, dice; a veces, uno de ellos se mueve, durante un tiempo aproximadamente igual a la distancia entre la fuente y el detector dividida por la velocidad de la luz; durante este movimiento, este fotón se coloca aproximadamente a lo largo de la línea que conecta el detector con la fuente.
Cuando la partícula llega al detector, hace que un electrón en el detector se excite, sacándolo de su posición anterior; el electrón luego llega a un electrodo, provocando una pequeña fluctuación en la corriente, que es suficiente para hacer que el detector funcione. Este tic, puedo decir con confianza, definitivamente tiene un tiempo y lugar bien definidos, lo que me hace pensar que la colisión original entre el fotón y el electrón también tuvo un tiempo y lugar definidos.
Mi instructor de Mecánica Cuántica, sin embargo, me cuenta una historia completamente diferente. En mi clase de mecánica cuántica avanzada (de pregrado), escribimos ecuaciones para el campo electromagnético cuantizado. Vimos que el campo electromagnético tiene muchos modos diferentes, parametrizados por un parámetro . Cada uno de estos modos puede vibrar, lo que permite almacenar una cantidad de energía en el campo. Sin embargo, la cantidad de energía almacenada en un modo específico solo puede venir en cantidades discretas: , para ser exacto. Y cuando un modo parametrizado por tiene energía igual a exactamente , decimos en mi clase de mecánica cuántica que el campo tiene fotones de frecuencia en eso.
La imagen que acabamos de describir no me parece en absoluto que se parezca a nada que tenga una posición o un momento definidos. Mi pregunta, por supuesto, es ¿cómo se conectan estas dos imágenes? ¿Cómo es posible que esté recibiendo garrapatas localizadas en mi detector? No tuve este mismo problema con la mecánica cuántica de los electrones, porque allí tenía una función de onda, y podía creer que cuando la función de onda parece algo localizada, esto significa que el electrón tiene una posición algo definida, y lo mismo ocurre con el impulso para la función de onda en el espacio de cantidad de movimiento. Sin embargo, parece que no puedo aplicar esta idea a los fotones, entonces, ¿qué está pasando?
Nos ha proporcionado un ejemplo casi perfecto de la dualidad onda/partícula , sobre la cual se ha escrito mucho a lo largo de los años. Una búsqueda rápida en línea de ese término arrojará mucho para que estudie; sigue una breve descripción introductoria e invito a los expertos aquí presentes a proporcionar más detalles.
En términos generales, la dualidad onda/partícula significa que en el mundo cuántico, algo como un fotón o un electrón es como una moneda de dos caras, que admite dos descripciones diferentes: en un conjunto de circunstancias, parece una partícula y en otra parece una ola. Aquí están los ejemplos clásicos:
Primero tenemos un haz de electrones golpeando un solo cristal de níquel. En el ángulo correcto, ese haz se difractará como si consistiera en ondas, pero si los electrones se emiten individualmente en un detector, el detector registra su presencia con clics uno por uno como si fueran pequeñas balas.
Y si un haz de luz que es tan débil que consiste en fotones individualmente contables se envía hacia un par de rendijas ópticas, los fotones formarán patrones de franjas de interferencia en una pantalla detrás de las rendijas como si fueran ondas, aunque como fotones individuales esperaríamos que cada uno atraviese una u otra de las rendijas y, por lo tanto, no tenga otros fotones con los que interferir mientras lo hace.
Desde el punto de vista de una descripción conveniente, cuanto mayor es la energía (es decir, cuanto más corta es la longitud de onda) del fotón, más comienza a comportarse como una partícula acelerada y menos como una onda que se propaga uniformemente por el espacio. Y cuanto menor sea su energía (cuanto mayor sea su longitud de onda), más se comportará como una onda que se propaga en el espacio y menos como una única partícula acelerada.
Esto significa que cuando un núcleo sufre un proceso de descomposición que libera energía, esa energía emerge como un fotón de rayos gamma en una dirección determinada y produce un solo clic cuando golpea un detector, y cuando una estación de radio AM sale al aire, el La señal que sale de su antena se irradia al espacio como una onda tridimensional con una polarización medible y una fuerza que sigue la ley del inverso del cuadrado.
Cosmas Zachos
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