Durante más de 100 años, la física cuántica nos ha enseñado que la luz es una onda y una partícula. Ahora, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han realizado un experimento atrevido usando átomos individuales que confirman que, mientras que la luz puede comportarse como una partícula o un fotón, no se puede ver que se comporte como ambos al mismo tiempo.
El debate sobre la naturaleza de luz se remonta a siglos, al siglo XVII y al tiempo de Isaac Newton y Christiaan Huygens. Algunos, como Newton, creían que la luz tenía que estar hecha de partículas para explicar por qué las imágenes de espejo son nítidas y nuestra incapacidad para ver en las esquinas. Y, sin embargo, Huygens y otros señalaron, la luz exhibe un comportamiento similar a las olas, como la difracción y la refracción.
En 1801, el físico Thomas Young ideó al famoso Experimento de doble coladonde brilló una fuente de luz coherente a través de dos ranuras estrechas y sobre una pared. Si la luz fuera una partícula, esperaríamos que aparezcan dos puntos de luz superpuestos en la pared a medida que diferentes fotones pasan a través de cada una de las dos hendiduras. En cambio, lo que joven encontró fue que la luz se extendió en la pared en patrones de interferencia alternos de luz y oscuridad. Esto solo podría explicarse si las ondas de luz se extendían de cada hendidura e interactuaban entre sí, lo que resultó en una interferencia constructiva y destructiva.
Un siglo después, Max Planck demostró que el calor y la luz se emiten en paquetes pequeños llamados cuantas, y Albert Einstein demostró que una cantidad de luz es una partícula llamada fotón. ¿Qué es más? física cuántica demostró que los fotones también muestran un comportamiento similar a las de las olas. Entonces Newton y Huygens habían sido correctos: la luz es tanto una onda como una partícula. Llamamos a esta extraña dualidad de partículas de onda de fenómenos.
Sin embargo, el principio de incertidumbre establece que nunca podemos observar un fotón que actúe como una onda y una partícula al mismo tiempo. El padre de la física cuántica, Niels Bohr, llamó a esto “complementariedad”, en el sentido de que las propiedades complementarias de un sistema cuántico, como comportarse como una onda y una partícula, nunca se pueden medir simultáneamente.
Einstein nunca fue un amante de la aleatoriedad que complementaria y el principio de incertidumbre introducido en las leyes de la naturaleza. Así que buscó formas de refutar la complementariedad, y al hacerlo volvió al clásico experimento de doble inclinación de Young. Argumentó que, a medida que un fotón pasa a través de una de las hendiduras, los lados de la hendidura deberían sentir una pequeña fuerza mientras el fotón que pasaba ” De esta manera, podríamos medir simultáneamente la luz que actúa como una partícula de fotones a medida que se mueve a través de una ranura, y como una onda al interactuar con otros fotones.
Bohr no estuvo de acuerdo. El principio de incertidumbre describe cómo, por ejemplo, no podemos conocer el impulso de un fotón y su posición exacta, ambas propiedades complementarias, al mismo tiempo. Por lo tanto, dijo Bohr, midiendo el “susurro” del fotón que pasa solo daría lugar a fregar el comportamiento similar a la onda, y el patrón de interferencia producido por el experimento de doble raya se reemplazaría con solo dos puntos brillantes.
Los experimentos a lo largo de los años han demostrado que Bohr es correcto, pero siempre ha habido la pequeña duda persistente de que el aparato voluminoso podría introducir efectos que enmascaran ver la luz como una onda y una partícula simultáneamente.
Para abordar esto, el equipo del MIT, dirigido por los físicos Wolfgang Ketterle y Vitaly Fedoseev, redujo el experimento de doble colocación al aparato más básico posible, a escala atómica. Usando láseres, organizaron 10,000 átomos individuales enfriados a solo fracciones de un título anterior Absoluto cero. Cada átomo actuaba como una hendidura, en el sentido de que los fotones podrían dispersarlos en diferentes direcciones y en muchas pruebas producen un patrón de áreas claras y oscuras, basada en la probabilidad de que un fotón se dispersen en ciertas direcciones más que otras. De esta manera, la dispersión produce el mismo patrón de difracción que el experimento de doble colgación.
“Lo que hemos hecho puede considerarse como una nueva variante para el experimento de doble cola”, dijo Ketterle en un declaración. “Estos átomos individuales son como las rendijas más pequeñas que podría construir”.
El experimento mostró que Bohr era definitivamente correcto cuando abogó por la complementariedad, y que Einstein se había equivocado. Cuanto más atómico se midió, más débil se volvió el patrón de difracción, ya que aquellos fotones que se midieron como partículas ya no interferían con los fotones que no se habían medido como partículas.
Los experimentos también mostraron que el aparato, en este caso, las vigas láser que contienen los átomos en su lugar, no afectaron los resultados. El equipo de Ketterle y Fedoseev pudieron apagar los láseres y hacer una medición dentro de una millonésima parte del segundo de hacerlo, antes de que los átomos tuvieran la oportunidad de sacudirse o moverse bajo la gravedad. El resultado siempre fue el mismo: la naturaleza de partícula y onda de la luz no se pudo discernir simultáneamente.
“Lo que importa es solo la confusión de los átomos”, dijo Fedoseev. Esta confusión se refiere a la confusión cuántica que rodea la posición exacta de un átomo, según el principio de incertidumbre. Esta confusión se puede ajustar por cuán firmemente los láseres mantienen los átomos en posición y, cuanto más difuso y sujetado son los átomos, más sienten los fotones susurrando, por lo tanto, revelan la luz como una partícula.
“Einstein y Bohr nunca habrían pensado que esto sea posible, realizar tal experimento con átomos individuales y fotones individuales”, dijo Ketterle.
El experimento cementa aún más la rareza de la física cuántica, en la que las partículas tienen una naturaleza dual, y nunca podemos medir simultáneamente propiedades complementarias, como si la luz es una onda o una partícula, o la posición y el momento de esa partícula. El universo parece operar sobre la base de la probabilidad, y las propiedades emergentes que vemos provenientes del reino cuántico son solo la manifestación de estadísticas que involucran muchas partículas, todas las cuales, para disgusto de Einstein, “juega dados”.
La investigación fue publicada el 22 de julio en la revista. Cartas de revisión física.