Fue el cumpleaños de Newton y te descubrimos la dualidad onda-partícula: un fenómeno fascinante en la mecánica cuántica que desafía el sentido común. ¿Qué tiene que ver con Newton y Einstein?

En 1672, Isaac Newton propuso que la luz estaba compuesta por partículas, pero sus contemporáneos argumentaron que era una onda. Durante siglos, esta disputa fascinó a científicos hasta que los experimentos modernos revelaron una verdad sorprendente: la luz puede ser ambas cosas, onda y partícula, dependiendo de cómo se observe. Este fenómeno, conocido como dualidad onda-partícula, va en contra del sentido común y forma uno de los pilares más fundamentales de la mecánica cuántica.

Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Linköping en Suecia llevó a cabo un experimento que conecta esta dualidad con la incertidumbre entropica, un concepto clave de la teoría de la información. Sus resultados no solo confirman décadas de teoría cuántica, sino que abren nuevas puertas en campos como la comunicación segura y la computación cuántica​​.

Historia de la dualidad onda-partícula

La idea de que la luz podría ser tanto una onda como una partícula comenzó con la obra de Newton, quien especuló sobre su naturaleza dual sin evidencia experimental concluyente. Sin embargo, a lo largo del siglo XIX, experimentos como los realizados por Thomas Young y otros demostraron patrones de interferencia que confirmaban la naturaleza ondulatoria de la luz. Esto parecía cerrar el caso.

A principios del siglo XX, los trabajos de Max Planck y Albert Einstein revolucionaron este consenso. Einstein mostró que la luz tenía propiedades de partícula al proponer el concepto de «fotón» para explicar el efecto fotoeléctrico. Finalmente, Arthur Compton confirmó que la luz también poseía energía cinética, característica clásica de las partículas​.

Este descubrimiento llevó a una pregunta más profunda: ¿cómo puede algo ser onda y partícula al mismo tiempo? La respuesta vino con la mecánica cuántica y su concepto de complementariedad, formulado por Niels Bohr, quien demostró que estas dos propiedades no se pueden observar simultáneamente. Depende de cómo y con qué dispositivos se realice la medición​.

Newton y Einstein se dan la mano:

Newton y Einstein son piezas clave en nuestra comprensión de la luz como partícula. Newton introdujo la idea de corpúsculos para explicar fenómenos ópticos, mientras que Einstein refinó esta noción con su concepto de fotón al describir el efecto fotoeléctrico. Aunque ambos defendían la naturaleza «particular» de la luz, la física cuántica ha revelado que esta visión debe complementarse con su comportamiento como onda, dependiendo de cómo se mida. Aquí es donde entra en juego la incertidumbre cuántica, que establece límites fundamentales a nuestro conocimiento simultáneo de estas propiedades. Este experimento reciente demuestra y recuerda cómo la dualidad onda-partícula conecta las ideas de Newton y Einstein, lo que muestra que sus perspectivas no eran opuestas, sino parte de una misma realidad cuántica más compleja, tal como lo expresa el título.

Principio de complementariedad e incertidumbre entrópica

El principio de complementariedad establece que la medición de un sistema cuántico revela solo una de sus posibles propiedades. Por ejemplo, si medimos la naturaleza ondulatoria de un fotón, no podemos saber nada sobre su comportamiento como partícula, y viceversa. Esto subraya una limitación fundamental en nuestro conocimiento del mundo cuántico​.

En 2014, un grupo de investigadores en Singapur dio un paso más al conectar matemáticamente este principio con el concepto de incertidumbre entrópica. La incertidumbre entrópica mide cuánto desconocimiento persiste en un sistema cuántico, incluso después de medirlo. Su trabajo demostró que siempre hay al menos un «bit» de información desconocida sobre un sistema cuántico, independientemente de la propiedad que se haya observado​.

El reciente experimento de la Universidad de Linköping confirma esta hipótesis, llevando el concepto del papel a la realidad. Mediante un diseño experimental innovador, los investigadores demostraron que la suma del conocimiento sobre las propiedades de onda y partícula de un fotón nunca supera un límite establecido por la incertidumbre entrópica​​.

Detalles del experimento de Linköping

El equipo utilizó una configuración experimental basada en un interferómetro con un divisor de haz ajustable. Este dispositivo permite dividir un haz de luz en dos caminos distintos y luego recombinarlos para observar patrones de interferencia (que indican comportamiento ondulatorio) o detectar partículas en ubicaciones específicas.

Lo que hizo único este experimento fue el uso de momento angular orbital (OAM) de los fotones, una propiedad menos común que permite transportar más información que el movimiento oscilante estándar. Por otra parte, el divisor de haz podía ajustarse parcialmente, un aspecto que permitía a los investigadores medir transiciones graduales entre comportamiento de onda y partícula en un solo dispositivo​​.

Los resultados confirmaron que la dualidad onda-partícula está directamente vinculada con las relaciones de incertidumbre entrópica, lo que supone una demostración la equivalencia teórica propuesta en 2014. Según el profesor Guilherme B. Xavier, uno de los autores principales, este experimento no solo es un avance teórico, sino que también tiene aplicaciones prácticas en tecnologías cuánticas como la criptografía​.

Implicaciones prácticas y filosóficas

A nivel práctico, este experimento puede revolucionar la comunicación cuántica y la criptografía, áreas donde la información segura es clave. Por ejemplo, el diseño experimental podría utilizarse para distribuir claves de cifrado cuántico de forma completamente segura, algo que los investigadores ya están explorando en sus futuros trabajos​.

En el ámbito filosófico, el experimento plantea preguntas profundas sobre la naturaleza de la realidad cuántica. ¿Existen las propiedades de onda y partícula «antes» de ser medidas? ¿O simplemente emergen como consecuencia del acto de medir? Estas preguntas, según los investigadores, se encuentran en la frontera entre la física y la filosofía, recordándonos que nuestro entendimiento del universo sigue siendo limitado​.

Fuente: muyinteresante.com