Principio de dualidad

El principio de dualidad, conocido tanto como dualidad onda – corpúsculo como dualidad onda – partícula es una teoría que demostró que la luz puede llegar a poseer  propiedades tanto de partícula como ondulatorias.

El paso de los años transformó la dualidad onda – partícula en un concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas porque las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa.

Esa afirmación fue acuñada por el renombrado científico Stephen Hawking como derivativa de sus estudios de la luz en el universo para la ubicación de agujeros negros por triangulación con astros luminosos.

Origen del principio de dualidad: de Einstein a De Broglie

El principio de dualidad fue expuesto hacia 1924 en la tesis doctoral del francés Louis Víctor de Broglie, donde proponía la existencia de ondas de materia con la afirmación de que cada onda poseía materia en ella.

Con el aval de Albert Einstein a este principio de dualidad, de Broglie recibió en 1929 el Nobel de Física.

La aprobación derivó luego de la comprobación de que la longitud de onda de la onda asociada a la materia era donde aplicaba la constante de Planck que describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en total equilibrio térmico y a una temperatura definida lo que crea el momento lineal de la partícula.

La tesis de Broglie que originó el principio de dualidad afirmaba que toda materia presenta características tanto ondulatorias como corpusculares que se comportan de uno u otro modo dependiendo del experimento o uso específico.

El efecto fotoeléctrico: génesis del principio de dualidad

El postulado se basó en la explicación del efecto fotoeléctrico que había dado Einstein sugiriendo la naturaleza cuántica de la luz y que versa así:

En el efecto fotoeléctrico se observaba que si un haz de luz incidía en una placa de metal producía electricidad en el circuito.

La luz más brillante debería ser más que suficiente para crear el paso de electrones por el circuito. Sin embargo, extrañamente, no lo producía.

Einstein llegó a la conclusión de que los electrones eran expelidos fuera del metal por la incidencia de fotones. Cada fotón individual acarreaba una cantidad de energía E, que se encontraba relacionada con la frecuencia ν de la luz,

Para Einstein, la energía transportada por las ondas luminosas estaba distribuida en pequeños paquetes energía o cuantos de luz, más tarde llamados fotones y cuya energía dependía de la frecuencia de la luz.

Proponía así que en determinados procesos las ondas electromagnéticas que forman la luz se comportan como corpúsculos.

De Broglie analizó el por qué no podría ser de manera inversa, ergo, que una partícula material (un corpúsculo) pudiese mostrar el mismo comportamiento que una onda.

Relacionó así la longitud de onda λ (lambda) con el momento lineal de la partícula, mediante la fórmula:

λ es la longitud de la onda asociada a la partícula de masa m que se mueve a una velocidad v, y h es la constante de Planck.

La fórmula demuestra que a medida que la masa del cuerpo o su velocidad aumentan, disminuye considerablemente la longitud de onda.

Este principio de dualidad en forma de ecuación se puede aplicar a toda la materia.

Bases del principio de dualidad

El principio de la dualidad descansa sobre la base del efecto fotoeléctrico, el cual plantea que la luz puede comportarse de dos formas, según las circunstancias:

1) La luz como una Onda: Esta es usada en la física clásica, en el campo de la óptica, donde los lentes y los espectros visibles requieren de estudio a través de las propiedades de las ondas.

2) Luz como Partícula: Usada sobre todo en física cuántica, según los estudios de Planck sobre la radiación del cuerpo negro, la materia absorbe energía electromagnética y luego la libera en forma de pequeños paquetes llamados fotones;

Estos cuantos de luz, tienen de igual manera una frecuencia, pero gracias a éstos, se pueden estudiar las propiedades del átomo.

El principio de dualidad supone un serio desafío para el sentido común y para la experiencia cotidiana: las ondas son dispersas y continuas, mientras que las partículas son locales y discretas.

Hasta el día de hoy, nadie llega a comprender cómo puede algo ser las dos cosas ya que la dualidad onda-partícula funciona en ambos sentidos.

No sólo la luz, considerada tradicionalmente como una onda, se comporta como una corriente de partículas, sino que los electrones, considerados tradicionalmente como partículas, se comportan como ondas como hacen todas las partículas a escala atómica.

Por cierto que el principio de dualidad onda-partícula tiene consecuencias importantes a nivel subatómico, pero también sirve para explicar ciertos comportamientos experimentales de la luz y otras radiaciones, como la difracción y los fenómenos de interferencia electromagnética.

Los cuerpos macroscópicos también tienen asociada una onda, pero, dado que su masa es muy grande la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible apreciar sus características ondulatorias.

Influencia de De Broglie en la mecánica cuántica

Debemos antes explicar el valor de la teoría cuántica antes de adentrarnos a la influencia del físico e historiador francés De Broglie

La teoría o mecánica cuántica es una de las ramas principales de la Física que explica el comportamiento de la materia y de la energía.

Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías, como por ejemplo los transistores.

La  teoría cuántica describe cómo en cualquier sistema físico  existe una diversa multiplicidad de estados, descritos mediante ecuaciones matemáticas y denominados estados cuánticos.

De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios de la estructura atómica

Dichos fenómenos no los puede explicar debidamente la física o mecánica clásica.

Se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma que no incorpora la relatividad en su formalismo, mediante la teoría de las perturbaciones.

Del principio de dualidad en la física o mecánica cuántica, a la medicina moderna

Louis Víctor de Broglie logró asentar uno de los pilares de la física cuántica: el principio de dualidad onda-partícula, que establece que las ondas pueden comportarse como partículas y viceversa.

De su idea de las ondas de materia nació la mecánica ondulatoria, formulación que Schrödinger (el del experimento del gato en la caja) desarrolló para aplicarla a átomos y moléculas.

Que las Academias de Ciencias, para entonces reacias a admitirlo, aceptaran y promovieran la tesis del principio de dualidad en las propiedades ondulatorias, dio paso a uno de los mayores avances del siglo XX, en pro de la medicina moderna.

Un dispositivo que acelera a los electrones a altas velocidades para que puedan obtenerse longitudes de onda muy cortas, conocido como el microscopio electrónico.

El mismo permite ver cosas mucho más pequeñas que los microscopios ópticos, porque la longitud de onda del electrón es bastante menor que la de los fotones de luz visible.