EL PRINCIPIO DE COMPLEMENTARIEDAD


 

Una característica importante de la pretendida dualidad onda-corpúsculo fue su sometimiento al denominado principio de complementariedad, cuya formulación original se debe a Bohr (1885-1962), quien resaltó el hecho de que el observador interactúa con el sistema en tal medida que condiciona la prevalencia de uno u otro comportamiento (corpuscular u ondulatorio): "Si se realiza un experimento para medir propiedades ondulatorias de una partícula o de un fotón, se eliminan peculiaridades corpusculares (y viceversa) y, de hecho, ningún experimento puede mostrar a una partícula o a un fotón manifestando simultáneamente ambos comportamientos".

 

Como es lógico, esta influencia del observador (del dispositivo experimental) en el resultado del experimento fue objeto de candente controversia y, a la vez, una fuente inspiradora de fructífera investigación. Entre los experimentos más destacados que tuvieron una relación directa con esta controversia, podemos mencionar, en primer lugar, uno realizado en 2007 en el CNRS (Centro Nacional para la Investigación Científica en Francia).

 

En dicho experimento, un emisor de fotones los enviaba de uno en uno hacia un interferómetro y allí, cuando un fotón pasaba por el primer espejo semi-reflectante (ES1), tenía la misma probabilidad para seguir por dos trayectos distintos (de 48 metros de longitud, cada uno), que terminaban en sendos detectores. Justo antes de esos detectores, se podía insertar o retirar un segundo espejo semi-reflectante (ES2), mediante un sistema sincronizado con el emisor de fotones. Cuando se insertaba este espejo, los fotones podían alcanzar uno u otro detector, sin ser "observados" y cuando no, los detectores permitían determinar u observar el camino seguido por el fotón.

 
 

El resultado fue que, sin el bifurcador de emisiones, el fotón tomaba un camino u otro (es decir, se comportaba como una partícula), pero con él los detectores registraban interferencias (como si el fotón se estuviera comportando como onda, yendo por ambas vías simultáneamente). Para los investigadores, este resultado acentúa la controversia sobre la influencia del observador en la física cuántica, ya que "podría dar a entender que alguna fuente concebible estaba informando secretamente al fotón de lo que debía hacer. Entonces debió mandarle un mensaje que viajaba más rápido que la velocidad de la luz, lo que está prohibido por las leyes de la relatividad".

Los fotones se comportan como onda o partícula según el observador  (Artículo publicado en la revista: Tendencias científicas, 23-02-2007)

 

En 2012, se realizó otro experimento destinado a profundizar en la interpretación de la pretendida naturaleza dual del fotón. En este caso, se montó un dispositivo que aprovecha una característica cuántica de todas las partículas (incluidos los fotones), llamada entrelazamiento: un conjunto de partículas entrelazadas no pueden definirse como partículas individuales con estados definidos, sino sólo como un sistema con una función de onda única para todo el sistema. Esta propiedad lleva a correlaciones entre las propiedades físicas observables de las partículas entrelazadas y, así por ejemplo, como dos fotones que nacen de una misma fuente coherente están entrelazados, lo que le ocurre a uno de ellos influye de forma instantánea a lo que le ocurre al otro.

 

 

Aprovechando este hecho, se entrelazaron dos fotones y se alternó en uno de ellos el método de medida (como onda o como partícula) para explorar en el otro la continua mutación entre su comportamiento dual. La interpretación de los investigadores fue afirmar que "el fotón se comporta simultáneamente como onda y como partícula, lo que refuta los modelos en que es una u otra".

 
 "A Quantum Delayed-Choice Experiment" (Artículo publicado en Science)
 
 La rareza cuántica de la luz como onda y como partícula (Noticia de prensa sobre el experimento)
 

Para terminar este apartado, nos referimos a la noticia que se publicó en 2015, acerca de otra investigación en la que unos científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza pudieron observar en una misma "fotografía" a la luz comportándose como onda y como partícula. En el experimento, situaron un finísimo hilo metálico (conductor) sobre una superficie de grafeno (aislante). Lanzaron haces de electrones sobre la superficie de contacto entre ambos y al mismo tiempo, iluminaron el hilo metálico con una luz láser ultravioleta. Esta iluminación excita a los electrones del hilo metálico, haciendo que se muevan colectivamente por el hilo y liberen parte de la energía emitiendo fotones en la dirección perpendicular a la superficie del metal.

 
 

Así consiguieron, por una parte, que los electrones incidentes chocaran contra los fotones emitidos por el hilo y, por otra, que se definieran en el hilo metálico regiones con mayor número de electrones que ganan energía y otras regiones donde el número es menor. La imagen adjunta registra, por un lado, la interacción entre los electrones incidentes desde el exterior con los fotones emitidos por el hilo conductor, lo que pone en evidencia el carácter corpuscular de esos fotones. Por otro lado, la imagen también registra, un patrón de interferencias, que pone en evidencia el carácter ondulatorio de los fotones generados por una excitación electrónica colectiva del metal (tienen una distribución atribuible a una onda estacionaria en su interior).

"Simultaneous observation of the quantizatLaion and the interference pattern of a plasmonic near-fieldno" (Artículo publicado en Nature)

Primera fotografía dual de la luz como partícula y como onda (Noticia de prensa sobre el experimento)

 
 
 
 
 

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