Cómo llegó a su fin una discusión de un siglo sobre la verdadera naturaleza de la luz

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Cuando el físico Clinton Davisson recibió el premio Nobel en 1937 por descubrir que los electrones, que habían sido considerados partículas, a veces podían comportarse inesperadamente como ondas, se propuso atacar la luz. Dijo: “el hijo perfecto de la física [had] “Se ha transformado en un gnomo con dos cabezas”. Ya se sabía que no era ni lo uno ni lo otro, sino que tenía forma de onda y de partícula. Los físicos solían pensar que ser una partícula y ser una onda eran mutuamente excluyentes, pero aquí teníamos, en la luz y ahora también en los electrones, dos ejemplos que contradecían eso. Un tanto desconcertado, Davisson no pudo evitar recurrir a una metáfora grotesca.

Estaba en buena compañía: diez años antes, Albert Einstein tuvo una famosa discusión con Niels Bohr sobre este aparente absurdo. Los dos antepasados ​​de la teoría cuántica se atacaron mutuamente armados únicamente con experimentos gedanken, o experimentos mentales, ya que no tenían la tecnología para realizarlos en el laboratorio. Pero su enemistad ya no existe. En 2025, los experimentos que Einstein y Bohr idearon furiosamente se llevaron a cabo en el laboratorio, y más de una vez. La luz surgió con ambas cabezas intactas.

La cuestión de la verdadera naturaleza de la luz siempre había sido polémica. En el siglo XVII dividió a otros dos grandes científicos. El matemático Christiaan Huygens argumentó que la luz era una onda, mientras que el físico Isaac Newton afirmó que era una corriente de partículas. Huygens publicó su Tratado sobre la luz en 1690, cerca de su muerte, pero quedó eclipsado por los argumentos y la reputación de Newton.

La otra cabeza de Light sólo podía permanecer oculta durante un tiempo. En 1801, el físico Thomas Young ideó el ahora famoso experimento de la doble rendija, tratando de obligar a la luz a revelar su verdadera naturaleza. Lo que hizo fue equivalente a gritar “Soy una ola” a cualquier físico que quisiera escuchar. Durante un tiempo, el campo se hizo popular. Pero en 1927, Einstein y Bohr no sólo estaban discutiendo nuevamente sobre la verdadera naturaleza de la luz, sino también sobre el experimento de la doble rendija en sí.

En este experimento, se coloca una barrera con dos rendijas estrechas y paralelas frente a una pantalla. Lo que viene a continuación es simple. Ilumina las rendijas y luego mira la pantalla. Si la luz fuera una partícula, la pantalla mostraría dos manchas de luz, una detrás de cada rendija. Pero lo que Young y muchos físicos posteriores vieron fue más complejo: un hermoso patrón de interferencia, que deja franjas oscuras y claras alternadas en toda la pantalla. Este es un sello distintivo de la ondulación de la luz. Las ondas de luz se derraman a través de las rendijas y donde se encuentran en sus picos, su brillo se amplifica, creando una franja brillante. La combinación de un pico y un valle deja una franja oscura.

Entonces, ¿qué había que discutir aproximadamente un siglo después? Por un lado, Einstein se aferraba a los resultados anteriores de un experimento en el que se iluminaba una pieza de oro, en el que explicaba su misteriosa tendencia a expulsar los electrones del oro al postular que la luz está hecha de partículas llamadas fotones. Este experimento mostró sólo una de las cabezas de la luz, y otra diferente al experimento de Young, pero Einstein siguió buscando signos de la partícula de la luz a lo largo de los experimentos.

La teoría cuántica hizo esto aún más difícil, ya que afirmaba que el patrón de interferencia aparecería incluso si el experimento de la doble rendija se llevara a cabo con un fotón a la vez. Los físicos lucharon por imaginar cómo un fotón podría atravesar simultáneamente dos rendijas. Los detalles del patrón de interferencia eliminaron la posibilidad de que el fotón se dividiera de alguna manera en dos, haciendo que pareciera que el gnomo estaba haciendo algún truco de magia.

Bohr sugirió que una manera de abordar esto era a través del principio de complementariedad. La naturaleza ondulatoria y partícula del fotón podría ponerse a la vista en experimentos, pero nunca simultáneamente. Einstein no estaba de acuerdo. Ingrese a los experimentos gedanken.

En el experimento mental de Einstein, hay una rendija adicional por la que pasa la luz antes que el par habitual, y está equipada con resortes para que retroceda cuando un fotón la atraviesa. Imaginó que los físicos podrían observar si los resortes se comprimían o extendían después de ser golpeados por el fotón y, en consecuencia, determinar si el fotón pasaba por la rendija superior o inferior. De esta manera, argumentó Einstein, podrían aprender por qué rendija pasó el fotón, lo cual es un comportamiento muy parecido al de una partícula, pero aún así verían el revelador patrón similar a una onda en la pantalla. Pensó que había ideado una manera de vislumbrar las dos cabezas del fotón.

El contraargumento de Bohr se basó en otra característica clásica de la teoría cuántica: el principio de incertidumbre de Heisenberg. Según este principio, ciertas propiedades mensurables de los objetos vienen en pares, como el momento y la posición, y existe un compromiso en la precisión con la que podemos conocer cualquiera de las dos. Por ejemplo, si los investigadores miden el momento de una partícula con mucha precisión, su conocimiento de su posición terminará siendo muy inexacto. Efectivamente, la partícula aparecerá como una masa borrosa y extendida. Bohr argumentó que la interacción del fotón y la rendija, incluso la elástica de Einstein, cambiaría sus momentos. Medir el cambio que el fotón produce en el movimiento de los resortes (el cambio en el impulso de la rendija) podría usarse para inferir el cambio en el impulso del fotón y esto haría que su posición fuera borrosa y destruiría el patrón de interferencia, “borrando” sus franjas.

Einstein y Bohr nunca llegaron a un acuerdo, pero su debate se hizo famoso. “Todos los investigadores en el campo de la ciencia cuántica se han encontrado con esto de una forma u otra”, dice Philipp Treutlein de la Universidad de Basilea en Suiza. Lo llamé después de enterarme de que dos equipos de investigación separados habían hecho realidad este famoso experimento gedanken. Los resultados de los experimentos fueron hermosos, dice: imitaban muy de cerca lo que Bohr y Einstein imaginaron.

Pero Treutlein también me dijo que los físicos contemporáneos suelen considerar que el debate ya está resuelto. Aún así, se necesitaron cien años para probarlo concretamente en el laboratorio. Esto se debe a que los fotones son diminutos y no tienen masa, por lo que crear rendijas significativas para el experimento requirió un control notable de diminutos componentes cuánticos. Cualquier cosa que puedas imaginar cuando lees “rendija estrecha” es probablemente un cuatrillón o más de veces demasiado grande para funcionar en este experimento, dice Chao-Yang Lu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC). Para evitar esto, su equipo en la USTC y otro en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) construyeron sus rendijas bajo temperaturas extremadamente frías, lo que hace posible controlar átomos individuales con rayos láser y pulsos electromagnéticos, convirtiéndolos en útiles sustitutos de las rendijas.

Los dos equipos utilizaron dos diseños diferentes para construir sus hendiduras elásticas y ultrafrías. Y la física atómica del siglo XXI cuenta con herramientas bien establecidas para medir cómo un átomo se ve afectado por el paso de un fotón. Wolfgang Ketterle, que dirigió el equipo del MIT, lo comparó con detectar una ligera brisa mirando las hojas de los árboles. “En la imagen de Einstein, el fotón pasa a través de una rendija. ¿Se da cuenta la rendija de que ha pasado un fotón? ¿Susurra la rendija? Ahora pudimos, con técnicas modernas, preparar átomos en tal estado que cuando un fotón pasa a través de la ‘rendija’, el átomo susurra”, dice. Ambos equipos encontraron el equilibrio que Bohr predijo entre la nitidez del patrón de interferencia y cómo el fotón afectaba el impulso de los átomos. De hecho, el patrón de interferencia desaparecería tal como lo había predicho.

Entonces, podemos ver un fotón actuar como partícula o como onda en el mismo experimento. Pero gracias a los avances en la física atómica, podemos hacer incluso más que eso: podemos captar su naturaleza dual en tiempo real.

Tanto Ketterle como Lu me dijeron que los hallazgos más interesantes se produjeron cuando midieron sólo una cierta cantidad de información de retroceso de los átomos (sólo un leve crujido) y también observaron un patrón de interferencia borroso. Incluso la información de retroceso parcial significaba que estaban vislumbrando al fotón haciendo algo parecido a una partícula. Incluso un indicio del patrón de interferencia revelaba de manera similar su carácter ondulatorio. “La visibilidad de la interferencia en forma de onda y la distinguibilidad de la trayectoria en forma de partícula ya no son opciones mutuamente excluyentes de sí o no”, dice Lu.

Resulta que, de hecho, se pueden ver ambas cabezas de luz, pero no muy bien.

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