Dualitat ona-partícula (I)

En l’entrada sobre l’efecte fotoelèctric vam veure com Einstein interpretava el comportament de la llum com a partícula (els fotons), donant a veure que aquests generen corrent elèctric en els metalls, quan es projecta llum blava o ultraviolada en la seva superfície.

La idea de que la llum està composta per paquets individuals d’energia creà un dels màxims dilemes de la física clàssica, la qual fins llavors creia que aquesta era tan sols una ona. El comportament de la llum sempre havia seguit el d’una ona; rodejant obstacles, difractant, reflectant i produint interferències.

No obstant això, Einstein creà un problema al afirmar que la llum també es comportava com un corrent de fotons.

Per tant, arribat aquest punt, els físics es preguntaren; ona o partícula? I per sorpresa de tots ells, la resposta fou un mescla de les dues; ona-partícula.

Tot i que pugui semblar una idea molt abstracta, així és, la llum es comporta com una ona i una partícula a la vegada, creant d’aquesta manera la dualitat ona-partícula.

La llum com a ona

Qualsevol sap que l’aigua -i per tant, les onades que es formen en l’aigua- està composta per un gran nombre de molècules. Tot i això, si tirem una pedra en un estanc, l’aigua que el compon es comporta com una ona. Llavors, és tan estrany pensar que les ones de llum estan a la vegada compostes de partícules, és a dir, fotons?

Isaac Newton creia que la llum estava composta per partícules, tot i desconèixer increïblement quin tipus de partícules serien aquestes. No obstant, algun dels seus col·legues coetanis, com Christian Huygens, discreparen d’aquesta idea afirmant que la llum és una ona degut al seu comportament. Aquest tema provocà un apassionant debat que no es calmà fins que la tecnologia fou el suficientment desenvolupada com per determinar quin dels dos comportaments segueix en veritat la llum.

L’experiment més fructífer fou el realitzat pel físic anglès Thomas Young al principi del segle XIX, on les idees de Newton quedaren derrotades després de nombroses demostracions.

L’experiment de Young

L’experiment de Young constava d’un projector de llum que feia arribar aquesta il·luminació sobre una làmina fosforescent interposant entre aquests dos elements una placa amb dues obertures (rendijas, en castellà), una a la dreta i l'altra a l’esquerra. Com pot veure’s en aquesta il·lustració.

En l’experiment, es tapà primer l’obertura dreta deixant oberta l’esquerra, fent que d’aquesta manera el raig de llum tan sols passés per la banda esquerra. Com que la làmina fosforescent és molt sensible, s’hi deixà marcada l’estela provocada per la llum. Així que el resultat fou una franja vertical de llum tan sols en la banda esquerra de la placa, com pot veure’s en aquesta il·lustració.

Posteriorment es repetí el mateix procediment però a la inversa, és a dir, tapant la banda esquerra. El resultat va ser l’esperat; una franja vertical de llum marcada en la làmina a la banda dreta.

Què passarà si obrim simultàniament les dues obertures?

Newton afirmaria un resultat tan lògic com el de sumar 1+1, dient que, al obrir les dues obertures, obtindrem en la placa dues franges lumíniques; una en la banda dreta i l'altra en l’esquerra, com pot veure’s en aquesta il·lustració. El raonament del físic anglès seguiria el comportament de la llum com a partícula (tal i com ell pensava). No obstant, com ja hem comentat que Newton estava equivocat, aquest raonament també ho està.

Per sorpresa de qualsevol persona no entesa, el resultat marcat en la placa fosforescent de l’experiment de Young posteriorment d’obrir les dues obertures, fou el d’un patró d’interferència, com il·lustrem en aquesta imatge.

Si la llum estigués composta per partícules el resultat seria l’esperat per Newton i per qualsevol altra persona que pensés igual que ell (o això és el que argumentaren els físics experimentals i teòrics d’aquella època). Discussió resolta?

La llum com a ona-partícula

No obstant (com ja hem comentat en l’entrada de l’efecte fotoelèctric i en el principi d’aquesta), Einstein tornà a obrir el debat al formular l’efecte fotoelèctric, fet que li valgué l’any 1921 el premi Nobel de física, on hi argumentava la composició de la llum com a paquets d’energia anomenats fotons.

De la mateixa manera que la composició de la llum com a ona constava d’una clara demostració, la composició com a conjunt de partícules també en disposava. Si més no, actualment aprofitem el principi d’Einstein en les plaques solars, on els fotons alliberen energia als electrons lliures dels materials semiconductors.

Tornant a l’experiment de Young

L’experiment de Young cobra un nou sentit si tenim en compte que la llum també està composta per partícules.

Si reduïm la intensitat de l’emissió que produeix el projector de llum fins arribar al punt de que aquest tan sols dispari fotons individuals, obtindrem altre cop desenllaços espectaculars.

Els resultats obtinguts foren els següents:

A l'obrir l’obertura dreta i tapar l’esquerra, els fotons van passar pel cantó dret i van deixar una franja marcada en la part dreta de la làmina fosforescent, com Young observà en el seu experiment. De la mateixa manera, al fer passar els fotons per l’obertura esquerra, la franja que quedà marcada en la làmina estava el cantó esquerre.

Posteriorment, arribà el moment culminant. Es van obrir les dues obertures i es van llençar fotons individuals (un fotó cada 10 segons, per exemple). Uns passaven pel cantó dret i uns altres per l’esquerre. No obstant això, tot i que es llençaren fotos individuals, i encara que aquests van ser disparats en intervals de temps de 10 segons, quan s’esperà el suficient temps, es repetí altra vegada el patró d’interferència.

Aquest resultat d’interferència va ser encara més sorprenent que quan la llum fou projectada com a ona i presentà el mateix patró sobre la làmina fosforescent.

¿Com pot ser que, fotons que passen successivament un rere l’altre a través de la placa i que xoquen per separat contra la làmina fosforescent, es posin d’acord en crear un patró d’interferències format per bandes clares i fosques?

El raonament convencional ens diu que tots i cada un dels fotons que travessen les obertures de la placa, o ho fan per l’obertura esquerra o per la dreta, pel que seria d’esperar un resultat com el d’aquesta imatge.

No obstant, la veritat és que aquests experiments demostren que les partícules de llum d’Einstein són bastant diferents a les de Newton. D’alguna manera, els fotons –tot i ser partícules- presenten unes característiques molt similars al de les ones. El fet de que l’energia dels fotons estigui determinada per característiques pròpies de les ones és la primera pista de que es produeixi una estranya unió.
Aquest estrany succés està íntimament relacionat amb un altre de la física quàntica que procurarem desenvolupar properament (l'efecte túnel), on una partícula es troba a qualsevol punta de l'univers, i la seva real posició és causada per la pròpia probabilitat. 

És per això que establim la dualitat ona-partícula, és a dir, que la llum presenta característiques d’ona i de partícules alhora.

1 L’ordre de procediment en l’experiment pot ser que no concordi en l’esmentat en aquesta pàgina. Per la nostra part aquest ha sigut totalment arbitrari.