¿Cuál es el mecanismo de la dualidad onda-partícula?

Question

No sé exactamente cómo formular esta pregunta; he estado leyendo sobre la dualidad onda-partícula, su historia y su funcionamiento. Pero me preocupa mucho, siempre que veo vídeos en YouTube sobre el tema o leo sobre él, los físicos parecen tener cuidado de decir que una onda como la luz puede BEHAVE como una partícula, pero nunca al mismo tiempo.

Lo que me pregunto es si la luz es una onda que sólo se comporta como una partícula a veces o una partícula real. ¿O es un electrón una partícula que se comporta como una onda a veces o puede ser una onda real?

Y también cuál es el mecanismo real que hay detrás porque parece que no encuentro la respuesta o es simplemente que nadie lo sabe?

Parece que hay una explicación, pero no estoy seguro de que sea correcta o de que la haya entendido bien. Dice que una onda es continua e infinita pero cuando se unen varias ondas pueden formar un pulso y eso es una partícula.

Estudié matemáticas en el colegio, informática en la universidad y física sólo en el instituto (educación en el Reino Unido, para EE.UU. colegio=instituto y instituto=educación secundaria). Pero me mantengo al día con la física como pasatiempo, estoy bastante familiarizado con la física newtoniana clásica y conozco algo de relatividad general y especial. La verdad es que apenas me estoy introduciendo en el mundo cuántico, pero esta es una de las primeras cosas que me llamó la atención.

Answer 1

El problema de los modelos

Una respuesta honesta es que utilizamos modelos para simular cómo se comporta el universo, y a veces nuestros modelos simplemente no muestran con precisión lo que es algo. Por eso ha habido, hay y habrá tantos modelos en física. Nuestros modelos fallan de vez en cuando. Intentamos mantener los mejores modelos actualizándolos y sustituyéndolos cuando es necesario.

La luz puede comportarse como si fuera una onda o como una partícula, pero no muestra un comportamiento que sólo un modelo pueda explicar totalmente. Por eso se ha retomado la idea de la dualidad. Ambos modelos se consideran "igualmente correctos", por lo que se aplican los dos. La forma más precisa de describir la luz es que se comporta como tal, pero eso no es útil.

En la mecánica cuántica, el comportamiento de las partículas puede describirse mediante sus funciones de onda. Como su nombre indica, estas funciones suelen parecerse más a las ondas que a otra cosa. Resulta que estas funciones de onda permiten que las partículas actúen como si fueran una onda. Además, las situaciones en las que actúa como una onda son inexplicables si pensamos en los electrones como partículas duras. Esto se puede ver con fenómenos como difracción de electrones . En estos casos, es mejor pensar en estos electrones como ondas.

Debido a que presentan tantas propiedades ondulatorias y de partículas, no las llamamos una u otra porque los modelos individuales no explican suficientemente bien el comportamiento que vemos. Una vez más, nuestros modelos son la fuente de la confusión, y nos quedamos con algo a lo que aplicamos dos modelos. Llegamos a un acuerdo y lo llamamos dualidad; el electrón es un electrón, y lo modelamos como una onda o una partícula.

La respuesta sencilla

La respuesta más sencilla es que no sabemos realmente qué son estas cosas. $^1$ No tenemos nada en nuestra escala o dentro de nuestra experiencia con lo que podamos compararlos. Por lo tanto, utilizamos modelos de cosas que sí conocemos y cuidadosamente aplicarlos. La dualidad partícula-onda de estas cosas es un subproducto de los modelos que utilizamos para entenderlas.

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Nota a pie de página

1. Cuando digo "no sabemos lo que son", en realidad quiero decir "no sabemos con qué cosa compararlos para entenderlo todo". Nosotros hacer conocemos muchas de las propiedades de la luz/electrones/etc, y peut predecir su comportamiento con una precisión asombrosa.

Answer 2

Lo que me pregunto es si la luz es una onda que sólo se comporta como una partícula a veces o si es una partícula real. O es un electrón una partícula que se comporta como una onda a veces o puede ser una onda real.

El primer marco modelado con matemáticas es lo que ahora llamamos el marco clásico. Éste, a finales del siglo XIX, contaba con elegantes modelos teóricos para la mecánica, la electrodinámica, la hidrodinámica y la termodinámica, hasta el punto de que algunos pensaban que la teoría física estaba completa y que sólo los ingenieros la utilizarían para aplicarla.

En este marco clásico una partícula se define/describe como una masa que puede ser descrita por su centro de masa en el espacio en (x,y,z) y su movimiento puede ser descrito con la mecánica newtoniana.

Las ondas surgieron como un ajuste a las observaciones de las ondas en el agua, las ondas sonoras y las ondas electromagnéticas y se describieron ampliamente mediante ecuaciones de onda que describían un transporte de energía y momento en un continuo como el agua , o el aire, o las ondas de presión en los sólidos. Las soluciones de las ecuaciones de onda eran funciones sinusoidales. Por analogía con las ondas sonoras, se esperaba que las ondas electromagnéticas fueran un transporte de energía y momento en un medio, y por eso se postuló el éter luminífero, ya que la física clásica necesitaba un medio para el transporte de energía y momento.

A finales del siglo XIX y principios del XX, una serie de observaciones experimentales mostraron grandes divergencias con el marco clásico. El experimento de Michelson Morley demostró que las ondas luminosas se movían en el vacío, sin necesidad de éter, es decir, que la energía y la materia se transportaban en el espacio sin un medio intermedio.

Las discrepancias más fuertes comenzaron con las observaciones de la cuantización de la luz, con la radiación del cuerpo negro con el efecto fotoeléctrico y los espectros de los átomos. La mecánica cuántica se desarrolló para el nivel de los átomos, El modelo de Bohr intentó mantener la imagen clásica de las partículas, los electrones orbitando un núcleo, con postulados ad hoc. No pudo convertirse en una teoría general.

Las soluciones de la ecuación de Schrodinger se ajustaban a los espectros de los átomos y eran capaces de predecir las observaciones experimentales en una teoría matemática autoconsistente con unos pocos postulados. La página web Ecuación de Schrodinger es una ecuación de onda, excepto que la interpretación no es de una onda que transporta energía y momento, el postulado es que el cuadrado de la función de onda da el probabilidad de encontrar la "partícula" en (x,y,z).

La luz es una propiedad emergente de billones de fotones. Un fotón muestra su fase de partícula por el golpe en la pantalla, y la propiedad de onda por el patrón de interferencia cuando caen muchos fotones en la pantalla. Lo mismo ocurre con los electrones en el experimento de la doble rendija, que caen uno a uno.

construcción de electrones con el tiempo

La mancha es la naturaleza de las partículas. La acumulación estadística es la distribución de probabilidad descrita por una solución de la ecuación de Schrodinger con las condiciones de contorno del experimento. Es una onda de probabilidad, no de materia.

Answer 3

Una partícula (entidad) cuántica se resiste a la descripción en términos macroscópicos y clásicos.

Si intentamos detectar la presencia de una partícula cuántica, nos encontramos con que interactúa con nuestro detector en (más o menos) un punto del espacio; se detectó aquí y no en ningún otro sitio (desde luego no en dos o más sitios a la vez). Esta es la naturaleza de las partículas.

Por otro lado, las partículas cuánticas pueden exhibir la propiedad de interferencia lo que sugiere que también hay una naturaleza ondulatoria.

Así pues, lo que es una partícula cuántica posee propiedades similares a las de las partículas y a las de las ondas, pero no es ni una partícula ni una onda.

Tenga en cuenta que detección es interacción . Sólo podemos detectar una partícula cuántica interactuando con ella de alguna manera y esta interacción generalmente deja a la partícula en un estado diferente después de la interacción que antes de .

Así, mientras se puede detectar, por ejemplo, un electrón en un punto con un detector de partículas, no tiene sentido imaginar el electrón como una partícula puntual en ese lugar justo antes de la detección .

Podemos decir que el electrón (antes no detectado) interactuó con nuestro aparato de detección en ese punto, exhibiendo la naturaleza de partícula, pero en general, hay una probabilidad no nula de que pueda haber interactuado en otro lugar en nuestro detector, lo cual es un comportamiento decididamente no similar al de las partículas.

Y también cuál es el mecanismo real detrás de él porque no puedo parecer encontrar la respuesta o es simplemente que nadie lo sabe?

No está claro a qué te refieres con mecanismo, pero creo que la mejor respuesta es que nadie lo sabe. Podemos modelizar matemáticamente estas entidades cuánticas con funciones de onda que obedezcan a ecuaciones de onda, campos cuánticos que obedezcan a ecuaciones de onda, etc., y contrastar las predicciones de estos modelos con los experimentos.

Sin embargo, el ontología de estos objetos matemáticos (lo que es el estatus ontológico de la función de onda) no está claro (véase Interpretaciones de la mecánica cuántica ).

Afirma que una onda es continua e infinita pero cuando varias ondas se unen pueden formar un pulso y eso es una partícula.

Es cierto que un pulso localizado puede descomponerse en la suma (integral) de una infinidad de ondas no localizadas. Sin embargo, como he aludido anteriormente, el estatus ontológico de estas ondas no está claro.

Answer 4

El truco de la dualidad onda/partícula es que la frase "la luz ES una onda" o "la luz ES una partícula" es engañosa. La luz se comporta como una onda, o la luz se comporta como una partícula, dependiendo de las circunstancias.

La dualidad onda/partícula es una construcción que aparece cuando intentamos modelar cosas subatómicas como los electrones y los fotones. Por lo que sabemos, todo se describe mediante una "forma de onda" de la Mecánica Cuántica. Ten en cuenta que esta forma de onda cuántica no es lo mismo que lo que tú llamas "onda", pero desgraciadamente tiene un nombre muy parecido. Las formas de onda QM son básicamente funciones que obedecen a la mecánica ondulatoria, por eso se les da ese nombre. Esto confunde la cuestión, pero me aseguraré de utilizar siempre "forma de onda" cuando hable de la forma de onda subyacente de QM, y "onda" para hablar de la parte de onda de la dualidad onda/partícula.

Dado que no tenemos un modelo mejor, hablaré como si la QM definiera la "verdadera" naturaleza de un fotón o un electrón. En realidad, la QM no es más que otro modelo. Sin embargo, es más fácil de explicar si consigo fingir por un momento que es la verdadera respuesta final a cómo funciona el universo. La redacción es mucho más fácil de leer de esa manera.

El verdadero problema de este modelo es que es muy difícil resolver las ecuaciones para cualquier cosa complicada. El procedimiento estándar consiste en dividir esta forma de onda en los llamados "paquetes de ondas" que son pequeños fragmentos de una forma de onda. En el amplia En la mayoría de los casos, estos fragmentos se alinean lo suficientemente bien como para permitirnos simplificar nuestros modelos cuánticos en modelos más clásicos de ondas y partículas:

• En muchos casos, las interacciones que se producen afectan a todos los paquetes de ondas por igual. Esto nos lleva a un comportamiento ondulatorio, en el que podemos utilizar herramientas como la superposición para modelar cada pieza de forma independiente y luego unirlas todas.
• En otros casos, las interacciones afectan a los paquetes de ondas de forma muy diferente. Por ejemplo, esto ocurre en situaciones en las que hay interacciones entre fotones y electrones. No todos los paquetes de ondas se ven afectados de la misma manera (algunos pueden interactuar con un electrón, mientras que un paquete cercano pasa por encima con una interacción mínima), por lo que no podemos utilizar la superposición. Sin embargo, si se producen suficientes eventos de este tipo, perdemos toda la coherencia de fase (un factor importante en la mecánica ondulatoria). En consecuencia, podemos simplificar al modelo de partículas, en lugar del modelo ondulatorio. En el modelo de partículas, asumimos que todos los problemas de fase de las ondas son aleatorios porque ha habido suficientes interacciones para romper cualquier coherencia.

Ambos se basan en simplificaciones. El modelo de ondas supone que todos los paquetes se ven afectados de forma idéntica. En realidad, hay pequeñas diferencias en las interacciones, pero suponemos que no importan. Del mismo modo, el modelo de partículas asume que todos los paquetes no son coherentes entre sí, por lo que no tenemos que seguir la fase. En su lugar, podemos modelar objetos como bolas de billar. En realidad, es raro que todas las partículas no tengan correlaciones de fase, pero asumimos que esas pequeñas correlaciones no importan mucho.

El truco de la dualidad onda/partícula es que, independientemente del modelo que utilicemos, bajo el capó tienes realmente una forma de onda cuántica. Es sólo una cuestión de qué modelo clásico es mejor para describir la situación con el menor número de cálculos posible. En general, la gran mayoría de los sistemas pueden modelarse como ondas o partículas, sin preocuparse por la dualidad.

Pero hay algunos casos en los que sí importa. Es posible construir sistemas en los que los paquetes de ondas en los que rompimos la forma de onda no bastante pierden coherencia, pero no bastante se ven afectados por el entorno de la misma manera. En estos sistemas, decimos que la partícula exhibe una dualidad onda/partícula, pero en realidad una frase mejor podría ser que ninguna de las dos simplificaciones del modelo cuántico es suficiente para modelar adecuadamente el comportamiento.

El ejemplo clásico es el experimento de doble rendija monofónica. Un solo fotón se dispara hacia dos rendijas, por lo que es evidente que tiene que atravesar una de ellas hacia una superficie detectora. Sin embargo, cuando registramos el resultado de muchos de estos experimentos de un solo fotón y los trazamos juntos, parece que el fotón ha interactuado de alguna manera consigo mismo para formar patrones de interferencia, lo que sólo podría ocurrir si pasara por ambas rendijas a la vez como lo hace una onda. La realidad subyacente es que el experimento manipuló una forma de onda cuántica de una manera que la hizo difícil de modelar como onda o partícula. El paso inicial de generación del fotón se modela mejor con el fotón como una partícula porque hay un quantum mínimo de energía asociado a ese fotón (ver el Efecto fotoeléctrico ). Sin embargo, en el segundo paso (las rendijas), el fotón se modela mejor como una onda porque los efectos de fase importan mucho.

Lo que muestra esta dualidad onda/partícula es que en un experimento de doble rendija, vemos que la luz no se comporta ni perfectamente como una onda ni perfectamente como una partícula. La reconciliación de esto se encuentra en la forma de onda cuántica, que cuando se computa completamente da los resultados obtenidos experimentalmente.

Answer 5

La etapa de la ciencia en la que surge este conflicto marca el amanecer de un nuevo mecanismo para comprender y, por tanto, atender algunas preguntas que han quedado sin respuesta desde los últimos miles de años antes de la humanidad. La pista no está en la partícula o en la onda. De hecho, tenemos que mirar más profundamente, en cosas que son aún más sutiles. Aquí la ciencia declara que éstas son más sutiles. Por lo tanto, debemos buscar nuevas formas de incursiones; nuevos conceptos, nuevas teorías y un nuevo y fresco enfoque. Pero esto no es fácil. Este cambio de paradigma llevará su propio tiempo y las generaciones sufrirán, en la ignorancia.