Paul M. Sutter es astrofísico en la Universidad Estatal de Ohio, anfitrión de Ask A Spaceman Y Space Radio, y autor de » Your Place in the Universe.»Sutter contribuyó este artículo a Space.com’ s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Es una onda o una partícula? Esta parece una pregunta muy simple. Las ondas son fenómenos muy distintos en nuestro universo, al igual que las partículas., Y tenemos diferentes conjuntos de matemáticas para describir cada uno de ellos. Por lo tanto, si queremos describir el universo entero, este parece ser un esquema de clasificación muy útil, excepto cuando no lo es. y no lo es en uno de los aspectos más importantes de nuestro universo: el mundo subatómico.
cuando se trata de cosas como fotones y electrones, la respuesta a la pregunta » ¿se comportan como ondas o partículas?»es yes Sí.,
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dos mundos
a primera vista (e incluso a miradas más profundas), las ondas y las partículas son muy diferentes. Una partícula es, lo mejor que puedo decir, una cosa. Es un objeto pequeño, único y finito. Puedes sostener una partícula en tu mano. Puedes lanzar una partícula a otra persona y verla rebotar. Está localizado. Puedes apuntar a una partícula y decir, » Mira, la partícula está justo ahí, exactamente donde estoy apuntando.»
las Partículas tienen el impulso y posiciones., Las partículas se moverán en líneas rectas hasta que algo cambie su dirección. Las partículas pueden rebotar de otras partículas, y pueden cambiar trayectorias. Piensa en balas o coches que aceleran. No son literalmente pequeñas partículas subatómicas, pero actúan como partículas cuando chocan con otras cosas.. Muchas interacciones físicas pueden describirse simplemente como partículas que rebotan unas de otras.
por otro lado, las ondas son casi completamente diferentes. No están localizados., Si quieres indicar dónde está una ola, tienes que mover tus manos vagamente haciendo un gesto, diciendo: «Está todo por ahí.»No puedes sostener la ola en tu mano. En su lugar, la ola pasa por encima, alrededor o incluso a través de su mano.
Las ondas son oscilaciones, lo que significa que se mueven., Transportan energía de un lugar a otro. Las olas realmente no rebotan, sino que interfieren entre sí. A veces, cuando las olas se juntan a la perfección, la cresta se encuentra con las crestas, y obtienes olas dobles. Esto se llama » interferencia constructiva.»Pero a veces, las ondas se cancelan entre sí, y no obtienes nada en absoluto, una interacción conocida como «interferencia destructiva».»Las olas pueden girar esquinas, y cuando pasan a través de aberturas estrechas, pueden extenderse o difractarse. Hay muchos tipos de olas en nuestro universo, como las olas del océano y las olas en un Slinky.,
tanto las ondas como las partículas son descritas por conjuntos muy, muy diferentes de ecuaciones matemáticas. Entonces, si quieres describir algo científicamente, primero tienes que decidir si es una onda o una partícula; luego puedes sacar las herramientas matemáticas correctas para hacer predicciones sobre cómo se comportará y actuará. Y durante un par de cientos de años, esta línea de pensamiento fue un buen enfoque para resolver todos los problemas de física en el mundo.
la Luz es una onda … y una partícula
Los problemas con este enfoque comenzó con luz propia., A principios de 1800, el científico Inglés Thomas Young jugó algunos juegos con luz brillando algunos rayos a través de dos aberturas estrechas en una pantalla detrás de ellos. Lo que encontró fue un patrón de interferencia clásico con rayas de intensidad variable en la pantalla. Esto es exactamente lo que las olas de agua harían al pasar a través de dos canales estrechos. Algunas de las ondas de luz se sumarían, y algunas de las ondas se cancelarían, dejando un patrón de rayas en la pantalla posterior. Esta es una evidencia bastante sólida de que la luz actúa como una onda, porque esto es exactamente lo que hacen las ondas.,
esta idea se reforzó unas décadas más tarde cuando el físico escocés James Clerk Maxwell descubrió que la electricidad y el magnetismo eran en realidad dos caras de la misma moneda electromagnética y, en el proceso, se dio cuenta de que la luz es ondas de electricidad y magnetismo. Eso dio una imagen concluyente de lo que está haciendo la ondulación cuando se trata de luz: su electricidad y magnetismo. La luz es una ola. Resérvalo, hecho.
entonces, a finales de 1800, el físico teórico alemán Max Planck lanzó una llave inglesa en todo cuando estudió la radiación de cuerpo negro., Para explicar sus observaciones, propuso que la luz solo puede emitirse en pequeños trozos discretos. Unos años más tarde, Albert Einstein lanzó su peso en la materia estudiando el efecto fotoeléctrico, y propuso que no solo se emite luz en pequeños trozos, sino que la luz en sí está hecha de pequeños paquetes de energía llamados fotones. En otras palabras, la luz se comportaba como una partícula en estos experimentos.
entonces, diferentes tipos de experimentos de física revelaban diferentes tipos de propiedades de la luz. A veces, la luz actuaba como una onda, y a veces, la luz actuaba como una partícula., ¿Cuál fue? La respuesta es que es ambas cosas. Y se pone aún peor.
La materia es una onda una partícula
en la década de 1920, un joven físico llamado Louis De Broglie hizo una sugerencia radical: dado que la luz tiene energía, momento y una longitud de onda, y la materia tiene energía y momento, tal vez la materia también tiene una longitud de onda. Eso es algo que es fácil de decir pero difícil de entender. ¿Qué significa para la materia tener una longitud de onda? ¿O de Broglie estaba terriblemente equivocado?
resulta que de Broglie lo clavó., A primera vista, puede que te preguntes cómo los electrones podrían ser cualquier cosa menos partículas, porque literalmente puedes sostenerlos en tu mano, y hacen un montón de rebotes. Cuando disparas electrones a través de dos rendijas, terminas con exactamente el mismo patrón de interferencia que haces con las luces: alternando rayas verticales de más y menos electrones.
¿Qué está pasando? Los electrones actúan como ondas cuando no se parecen en nada a las ondas. ¿Qué está haciendo el saludo?
la respuesta viene a través de la mecánica cuántica, y describir esa respuesta implica interpretar algunas de las matemáticas profundas. La imagen más común, llamada La interpretación de Copenhague, dice que la onda que asociamos con la materia es una onda de probabilidad que representa todos los posibles lugares donde podría estar una partícula la próxima vez que vayamos a buscarla., Este rango de probabilidad es descrito por una ecuación que tiene los mismos huesos matemáticos que cualquier otra ecuación de onda. En esta imagen, eso es lo que está haciendo la ondulación: los posibles lugares en los que podría estar la partícula.
así que, a medida que los electrones pasan a través de las rendijas en el experimento de De Broglie, no pueden decidir exactamente dónde quieren estar. Esas olas de incertidumbre chocan entre sí e interfieren, fusionándose y cancelándose entre sí al igual que cualquier otra ola. Entonces, cuando la onda de un electrón golpea la pantalla trasera, la partícula finalmente tiene que decidir dónde aterrizar., Lentamente, electrón por electrón, el patrón de onda se acumula.
al igual que la luz, a veces la materia actúa como una partícula, y a veces, actúa como una onda. Entonces, ¿la luz y la materia están hechas de ondas o partículas? La respuesta es ambas cosas, más o menos.
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