¿Es la dualidad onda-partícula una dualidad real?

Question

A menudo oigo hablar de la dualidad onda-partícula, y de cómo las partículas presentan propiedades tanto de partículas como de ondas. Sin embargo, me pregunto si se trata realmente de una dualidad. En el nivel más fundamental, "sabemos" que todo está formado por partículas, ya sean fotones, electrones o incluso cuerdas. Que la luz, por ejemplo, también tiene propiedades ondulatorias, ¿por qué importa? ¿No sabemos que todo está hecho de partículas? En otras palabras, ¿no se equivocó Young y acertó Newton, en lugar de que ambos tuvieran razón?

Answer 1

Dualidad es la relación entre dos entidades que se afirman fundamentalmente igual de importantes o legítimas como características del objeto subyacente.

La definición precisa de "dualidad" depende del contexto. Por ejemplo, en la teoría de cuerdas, una dualidad relaciona dos descripciones aparentemente no equivalentes de un sistema físico cuyas consecuencias físicas, cuando se estudian con absoluta exactitud, son absolutamente idénticas.

La dualidad onda-partícula (o dualismo) no está lejos de esta forma "extrema" de dualidad. En efecto, dice que los objetos como los fotones (y las ondas electromagnéticas compuestas por ellos) y los electrones presentan propiedades tanto de onda como de partícula y son igualmente naturales, posibles e importantes.

De hecho, podemos decir que hay dos descripciones equivalentes de las partículas: en la base de posición y en la base de momento. La primera corresponde al paradigma de las partículas, la segunda corresponde al paradigma de las ondas, porque las ondas con longitudes de onda bien definidas están representadas por objetos simples.

No es cierto que Young se equivocara y Newton tuviera razón. Hasta el siglo XX, parecía obvio que Young tenía más razón que Newton porque la luz presenta indiscutiblemente propiedades ondulatorias, como se ve en los experimentos de Young y en los fenómenos de interferencia y difracción en general. Los mismos fenómenos ondulatorios se aplican a los electrones, que también se comportan como ondas en muchos contextos.

De hecho, la "teoría de casi todo" más moderna se llama teoría cuántica de campos y se basa en los campos como objetos fundamentales, mientras que las partículas son sólo sus excitaciones cuantizadas. Un campo puede tener ondas en él y la mecánica cuántica sólo dice que para una frecuencia fija $f$ la energía transportada en la onda debe ser un múltiplo de $E=hf$ . El número entero que cuenta el múltiplo se interpreta como el número de partículas, pero los objetos son fundamentalmente ondas.

También se puede adoptar una perspectiva o descripción en la que las partículas parecen más elementales y los fenómenos ondulatorios son sólo una propiedad secundaria de las mismas.

Ninguno de estos dos enfoques es erróneo; ninguno de ellos es "cualitativamente más preciso" que el otro. En realidad, son igualmente válidos e igualmente legítimos -y matemáticamente equivalentes, cuando se describen correctamente-, por eso la palabra "dualidad" o "complementariedad" es tan apropiada.

Answer 2

Efectivamente, como el El sitio web del CERN destaca

Las teorías y descubrimientos de miles de físicos a lo largo del último siglo han dado lugar a una notable comprensión de la estructura fundamental de la materia: se ha descubierto que todo en el universo está hecho de doce bloques básicos llamados partículas fundamentales, gobernados por cuatro fuerzas fundamentales.

Hay que destacar que se refieren a partículas cuánticas. Una partícula cuántica es pas una partícula newtoniana. Una partícula cuántica no es una onda. Una partícula cuántica nunca se comporta como una onda y esta es la razón por la que la disciplina que estudia las partículas cuánticas como los electrones, los quarks o los fotones se llama "física de partículas" pas "física de las ondas".

Su pregunta sobre la dualidad onda-partícula está bien contestada en el Sitio de Klein :

la verdadera dualidad onda-partícula no existe.

El sitio también revela interesantes detalles históricos sobre cómo las creencias incorrectas sobre la dualidad y la complementariedad se basaron en los primeros malentendidos de la teoría cuántica, además de algunas limitaciones tecnológicas de los aparatos utilizados en los primeros experimentos de interferencia de doble rendija.

¿Son las "partículas" realmente "ondas"? En los primeros experimentos, los patrones de difracción se detectaban de forma holística mediante una placa fotográfica, que no podía detectar partículas individuales. Como resultado, creció la idea de que las propiedades de las partículas y de las ondas eran mutuamente incompatibles, o complementarias, en el sentido de que se necesitarían diferentes aparatos de medición para observarlas. Esa idea, sin embargo, no era más que una desafortunada generalización a partir de una limitación tecnológica. Hoy en día es posible detectar la llegada de electrones individuales, y ver surgir el patrón de difracción como un patrón estadístico formado por muchas manchas pequeñas (Tonomura et al., 1989).

Hoy sabemos que la dualidad onda-partícula no existe y la literatura moderna evita el término:

La milagrosa "dualidad onda-partícula" sigue floreciendo en los textos populares y en los libros de texto elementales. Sin embargo, el ritmo de aparición de este término en las obras científicas ha disminuido en los últimos años (lo mismo ocurre con la noción de complementariedad de Bohr).

De hecho, si la dualidad onda-partícula existiera o jugara un papel fundamental, se encontraría en los libros de texto modernos. Un crítico en los comentarios apela a la teoría cuántica de campos, pero el hecho es que no se puede encontrar el término "dualidad onda-partícula" en los índices de los libros de texto recientes de teoría cuántica de campos como el de Weinberg (Volumen I) o en clásicos como el de Mandl & Shaw. ¿Por qué? Porque no hay "dualidad onda-partícula" en la naturaleza.

También puede comprobar el Glosario científico del CERN y comprobar que no hay ninguna entrada o mención a la "dualidad onda-partícula". ¿Por qué? Porque no hay "dualidad onda-partícula" en la naturaleza.

Algunas personas creen que las funciones de onda utilizadas en algunas formulaciones de la QM son ondas reales, pero esto es un error. Una onda es un sistema físico que transporta energía y momento. Una función de onda es una función matemática que no puede ser observada. Las funciones de onda son sólo una forma aproximada de representar la estados de los verdaderos objetos cuánticos en ciertas formulaciones de la QM. El estado cuántico de un sistema abierto no puede ser representado por una función de onda. No es una mera cuestión de semántica.

Como explica claramente el sitio de Klein citado anteriormente, todos los fenómenos cuánticos, incluidos los patrones de interferencia, pueden explicarse sin ninguna dualidad onda-partícula.

También se analizarían experimentos como el de la doble rendija con electrones. Como ya se ha dicho, hoy en día es posible detectar la llegada de electrones individuales, y ver que el patrón de difracción emerge como un patrón estadístico formado por muchas manchas pequeñas. Para obtener el estadística patrón de interferencia que necesita para repetir el experimento durante un periodo de tiempo y superponer los resultados de cada una de las ejecuciones individuales en una figura estadística final

El estadística patrón de interferencia observado corresponde a un estadística distribución de las posiciones de las diferentes partículas en diferentes momentos. No existe un comportamiento ondulatorio para un solo electrón:

Las manifestaciones del comportamiento ondulatorio son de naturaleza estadística y siempre surgen del resultado colectivo de muchos eventos electrónicos. En el presente experimento no se aprecia nada ondulatorio en la llegada de electrones individuales al plano de observación. Sólo después de la llegada de quizás decenas de miles de electrones surge un patrón interpretable como interferencia ondulatoria.

Obsérvese que el autor escribe correctamente "como una ola", porque no se detecta ninguna onda real en el experimento Sólo se observa un patrón estadístico en el detector.

@annaV escribió un excelente comentario sobre nuestra comprensión moderna de este experimento. Yo añadiría que los recientes avances en la teoría cuántica nos permiten calcular la trayectoria de cada partícula en el experimento. El resultado de la simulación teórica de la partícula seguida por cada partícula en un experimento de doble rendija es

que predice exactamente el comportamiento observado y el patrón de interferencia exacto en el experimento de la doble rendija.

Por desgracia, el desarrollo de la mecánica cuántica ha estado plagado de mitos y conceptos erróneos. Yo recomendaría el libro de texto de Ballentine para un tratamiento riguroso y avanzado de la mecánica cuántica sin viejos conceptos erróneos como la "dualidad onda-partícula":

Este enfoque sustituye a los argumentos heurísticos pero no concluyentes basados en la analogía y la dualidad onda-partícula, que tanto frustran al estudiante serio.

La mecánica cuántica, un desarrollo moderno está considerado como uno de los mejores libros de texto de la actualidad.

Answer 3

Creo que las respuestas te confundirán menos si tienes claro que las ecuaciones de onda son ecuaciones diferenciales específicas que se aplican a muchos sistemas clásicos que se han estudiado durante más de dos siglos con gran detalle en su aplicación a la luz, el sonido y los fluidos.

Sucede que las ecuaciones diferenciales que describieron por primera vez el comportamiento cuantificado observado del microcosmos , como la Ecuación de Schroedinger también son ecuaciones de onda. Por eso se habla de funciones de onda. Pero, y es algo que hay que subrayar una y otra vez, lo que describen las soluciones de la mecánica cuántica no son ondas del tamaño de la "partícula" en $(x,y,z,t)$ pero la probabilidad de encontrar una "partícula" en $(x,y,z,t)$ o con un cuatro vector $(p_x,p_y,p_z,E)\;.$

La terminología "partícula" que es útil en la física clásica como por ejemplo en las moléculas de un gas ideal, es lo que crea la confusión aquí. Deberíamos llamarlas "entidades elementales" que pueden describirse como ondas de probabilidad para algunas manifestaciones, como en la imagen de las dos rendijas en la respuesta de Juanrga aquí, y a veces como partículas de comportamiento clásico, es decir, que tienen coordenadas específicas y cuatro vectores específicos que describen su movimiento, para otros comportamientos.

Estos pares de electrones y positrones aparecen en $(x,y,z,t)$ con cuatro vectores específicos en esta foto de la cámara de burbujas.

Answer 4

Mire, el disparo de electrones secuenciales de uno en uno en el montaje experimental de la doble rendija revela efectivamente eventos de detección de electrones individuales en la placa detectora; y también es cierto que después de muchos eventos de este tipo surge un patrón que es consistente con un patrón de interferencia. Decir simplemente que el patrón de interferencia es el resultado del patrón estadístico de muchos eventos de detección no explica en absoluto por qué ese patrón es consistente con la interferencia de ondas. Los eventos individuales de detección son, en efecto, consistentes con la naturaleza de partícula del electrón, pero el patrón de interferencia de onda después de que se acumulen muchos de esos eventos individuales es consistente con la naturaleza de onda del electrón. En lugar de descartar la naturaleza ondulatoria del electrón, lo que se ha descrito demuestra con bastante claridad la dualidad onda-partícula que algunos han intentado negar como real. El patrón de interferencia debe explicarse exclusivamente en términos de física de partículas si se quiere negar la naturaleza ondulatoria del electrón y todavía no lo he visto. Por otra parte, todavía no he oído una explicación de cómo una "onda de probabilidad" puede mostrar una interferencia física real si sólo es una abstracción matemática. Así que el aspecto ondulatorio de la dualidad onda-partícula también necesita ser explicado o comprendido más a fondo.

Answer 5

En otras palabras, ¿no se equivocó Young y acertó Newton, en lugar de que ambos tuvieran razón?

La localización define lo que la mayoría de los físicos consideran como partículas, es decir, el éter de Newton, liberando a la naturaleza de su etapa inerte. Pero la física del siglo XX sigue dependiendo de la etapa inerte y no puede negar que las ondas están en el corazón del SM. Pero si podemos modificar las matemáticas, ¿nos deshacemos de las ondas (como dice alguien en el CERN)? Todavía NO . La dualidad es un principio profundo para un mundo cuántico, aunque la naturaleza de las ondas aún debe ser resuelta en la teoría de la información cuántica.

Recordemos que el principio de incertidumbre de Heisenberg puede ser derivado tomando la regla de de Broglie para las ondas-materia (las longitudes de onda limitan la resolución). Este uso de la masa es más físico que el clásico, en el que realmente es sólo un parámetro. (Irónicamente, como sabes, fue Newton (y Descartes y Galileo) quien inició la confusión del escenario inerte). Ahora nos enseñan a pensar en las ondas de luz en el "vacío" a la Maxwell, pero esto haría que Newton se revolviera en su tumba. Tenemos que pensar en el espaciotiempo de fondo emergente de los campos em. Este es el punto de vista moderno (pero nadie parece entenderlo todavía). Entonces, las ondas y las partículas describen dos propiedades distintas de los espaciotiempos: una local (eventos) y otra no local (interferencia, etc.). Suponemos que las nuevas teorías requieren ambos tipos de información. Todo esto es una simplificación excesiva, pero véase cómo Newton sólo tiene razón en las ideas del siglo XX, y no más allá. Así pues, Young sigue estando equivocado en el contexto del antiguo éter, pero la continuidad de las ideas desde la óptica clásica hasta la QM y la QFT no puede olvidarse al desmontar la idea de las funciones de onda. Obsérvese también que los experimentos históricos fueron muy cuidadosos en demostrar que tanto las ondas como las partículas son aspectos de la naturaleza subyacente - y de nuestra débil comprensión.

Entonces, ¿dónde está de Broglie ahora? El principio de incertidumbre en la teoría de cuerdas utiliza dualidades matemáticas profundas (STU). En principio proviene de un principio de Broglie modificado (no conozco una buena referencia, lo siento). Esto va mucho más allá del DPM original, pero creo que pone de manifiesto la importancia del DPM. Un evento es pas sólo un punto del espaciotiempo clásico (porque esto no es físico en una teoría con incertidumbre) por lo que el WPD es en cierto sentido la mejor idea que tenemos para construir el espaciotiempo estados de la información local y no local.