¿Es la luz una partícula o una onda?
¿La luz se comporta más como una partícula o como una onda? Hoy conocemos la sorprendente respuesta. He aquí por qué tardó tanto en llegar.
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Desde las estrellas más distantes del cielo hasta la pantalla frente a tu cara, la luz está en todas partes. Pero la naturaleza exacta de la luz y cómo viaja ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. Una pregunta en particular ha molestado a pensadores desde Issac Newton hasta Albert Einstein: ¿Es la luz una partícula o una onda?
"Si la luz es una partícula o una onda es una cuestión muy antigua", dijo a WordsSideKick.com Riccardo Sapienza, físico del Imperial College de Londres. Como especie, parecemos impulsados a comprender la naturaleza fundamental del mundo que nos rodea, y este enigma en particular mantuvo ocupados a los científicos del siglo XIX.
Hoy en día, no hay duda de la respuesta: la luz es a la vez una partícula y una onda. Pero, ¿cómo llegaron los científicos a esta conclusión alucinante?
El punto de partida fue distinguir científicamente entre ondas y partículas. "Un objeto se describiría como una partícula si se pudiera identificar como un punto en el espacio", dijo Sapienza. "Una onda es un objeto que no se define como un punto en el espacio y es necesario darle una frecuencia de oscilación y una distancia entre el máximo y el mínimo".
La primera evidencia concluyente de la naturaleza ondulatoria de la luz llegó en 1801, cuando Thomas Young realizó su ahora famoso experimento de la doble rendija. Colocó una pantalla con dos agujeros delante de una fuente de luz y observó el comportamiento de la luz después de pasar a través de las rendijas. La luz que incide sobre la pared mostró un patrón complicado de bandas brillantes y oscuras, conocidas como franjas de interferencia.
A medida que las ondas de luz pasaban por cada agujero, generaban ondas parciales que irradiaban de forma esférica, interceptándose entre sí y sumando o restando hasta la intensidad final.
"Si la luz fuera una partícula, habrías terminado con dos haces al otro lado de la pantalla", dijo Sapienza. "Pero tenemos interferencias y vemos luz en todas partes después de la pantalla, no sólo en la posición de los agujeros. Esa es la prueba de que la luz es en realidad una onda".
Ochenta y seis años después, Heinrich Hertz fue el primero en demostrar la naturaleza partícula de la luz. Se dio cuenta de que cuando la luz ultravioleta incidía sobre una superficie metálica, generaba una carga, un fenómeno llamado efecto fotoeléctrico. Sin embargo, el significado de su observación no se entendió completamente hasta muchos años después.
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Los átomos contienen electrones en niveles de energía fijos. Por lo tanto, se espera que iluminarlos proporcione energía a los electrones y les permita escapar del átomo, mientras que una luz más brillante libera electrones más rápido. Pero en experimentos posteriores al trabajo de Hertz, varias observaciones inusuales parecieron contradecir completamente esta comprensión clásica de la física.
Fue Einstein quien finalmente resolvió este enigma, por el que recibió el premio Nobel en 1921. En lugar de absorber luz continuamente de una onda, los átomos en realidad reciben energía en paquetes de luz llamados fotones, lo que explica observaciones extrañas como la existencia de una frecuencia de corte.
Pero ¿qué determina si la luz se comporta como onda o como partícula? Según Sapienza, ésta no es la pregunta correcta. "La luz no es unas veces una partícula y otras una onda", afirmó. "Siempre es a la vez una onda y una partícula. Lo que pasa es que resaltamos una de las propiedades dependiendo del experimento que hagamos".
En la vida cotidiana, experimentamos la luz principalmente como una onda, y es esta forma la que los físicos encuentran más útil para manipular.
"Existe un campo completo llamado metamateriales: al darle forma a un material con las mismas características que la luz, podemos mejorar la interacción de la luz con el material y controlar las ondas", dijo Sapienza. "Por ejemplo, podemos fabricar absorbentes solares que puedan absorber luz más eficiente para la generación de energía o sondas de resonancia magnética metamateriales que son mucho más efectivas".
Sin embargo, la doble naturaleza de la luz, conocida como dualidad onda-partícula, es absolutamente fundamental para la existencia del mundo tal como lo conocemos. Este extraño comportamiento de hermanamiento también se extiende a otras partículas cuánticas, como los electrones.
"No se podría hacer que un átomo fuera estable si no tuviera una mecánica cuántica con los electrones en estados específicos", dijo Sapienza. "Si eliminas el hecho de que es una partícula, eliminas el hecho de que tiene una energía específica y la vida no podría existir".