Louis de Broglie descubre características de onda en el electrón

«Cuanto más descendemos a las estructuras ínfimas de la materia, más nos damos cuenta de que los conceptos forjados por nuestro espíritu en el curso de la experiencia cotidiana, especialmente los de espacio y tiempo, son impotentes para permitirnos describir los nuevos mundos en que penetramos». (Louis de Broglie, ‘Materia y luz’, 1956)

En 1924 —por lo que ahora cumplen cien años—, el físico francés Louis de Broglie (1892–1987), defendió su tesis doctoral, Recherches sur la théorie des quanta (Investigaciones sobre la teoría de los cuantos), en la que por primera vez se sugería que las partículas elementales, como el electrón, pueden exhibir características de onda. Su trabajo era de índole teórico y necesitaba una comprobación experimental para ganar credibilidad.

Si el electrón era una partícula que se comportaba como una onda, entonces tendría que mostrar propiedades típicas de las ondas, como son la difracción y las interferencias, que fue lo que demostraron Davisson y Germer en 1927, confirmando por tanto la hipótesis de De Broglie, quien recibió por ello el premio Nobel de Física en 1929, solo cinco años después de haber presentado aquella atrevida tesis doctoral. Antes, en 1927, en la Quinta Conferencia Solvay, los físicos más importantes del mundo aceptaron mayoritariamente este punto de vista tan rompedor. En esta reunión, que se tituló Electrones y Fotones, se dio carta de naturaleza a la Física cuántica, que marcaría el rumbo de esta disciplina a partir de entonces. De la Quinta Conferencia Solvay se recuerdan la foto «más inteligente de la historia», y la diatriba entre Einstein: «Dios no juega a los dados», y Bohr: «Albert, deja de decirle a Dios como tiene que hacer las cosas».

Naturaleza de la luz

Este asunto traía causa de la discutida naturaleza de la luz: ¿era una onda o era una partícula? En el primer caso, debía comportarse como las olas que se forman en un estanque al lanzar una piedra al agua. En el segundo, sería como una lluvia de proyectiles pequeñísimos, dotados de suficiente energía para llegar desde las estrellas más lejanas hasta nosotros.

Newton, cuya autoridad en estas cosas fue indiscutible durante siglos, opinaba que la naturaleza de la luz era corpuscular, ya que esta idea permitía interpretar los principales hechos ópticos conocidos en su tiempo (siglo XVII): la propagación rectilínea de la luz, su reflexión en los espejos, su refracción en los cuerpos transparentes. Huygens, también en ese siglo, defendía que era una onda que se movía en un fluido llamado éter. Los experimentos de Thomas Young y Augustin Fresnel, ya en el siglo XIX, proporcionaron pruebas convincentes a favor de la teoría ondulatoria, explicando fenómenos como la difracción y la interferencia de la luz. Esto inclinó la balanza, provisionalmente, a favor de Huygens: la luz era una onda.

Sin embargo, Planck propuso la idea de la cuantización de la energía, sugiriendo que la luz se emitía en paquetes discretos que ahora llamamos fotones. Einstein, en su artículo sobre el efecto fotoeléctrico que le valió para ganar el Premio Nobel de 1921, demostró que la luz podía comportarse como una partícula, desafiando la teoría ondulatoria dominante. ¿Era una onda o era una partícula? Poco a poco fue calando la idea de que se podía comportar como ambas cosas, introduciéndose la idea de la «dualidad» en la naturaleza de la luz.

Ahora, 1924, es cuando interviene Broglie: «en toda la materia, compuesta de electrones, protones y neutrones junto a su carácter corpuscular, que la hace materia, cohabita su otra expresión de ser ondulatoria». Es decir, no solo la luz sino también la materia tenía esa doble naturaleza de onda y corpúsculo. Los dos aspectos son fundamentales ya que la dualidad onda-corpúsculo no es una propiedad excluyente, sino complementaria. Esto significa que ambas características, onda y corpúsculo, están presentes en la materia en todo momento, pero se manifiestan de manera diferente dependiendo de las condiciones del experimento o la interacción.

Vuelvo a De Broglie: «En cuanto a los corpúsculos materiales, electrones y protones, no podrán ser considerados ya aisladamente, sino que habrá que suponerlos siempre acompañados de una onda ligada a su movimiento [...] Si la mecánica de Newton logra prever de una manera perfecta los movimientos que se efectúan en nuestra escala o en la de los movimientos de los cuerpos celestes, es que en estos casos la Mecánica ondulatoria admite la de Newton como una aproximación suficiente. Pero, cuando se quiere estudiar el movimiento de las partículas materiales en el interior de un átomo, la antigua Mecánica pierde su valor y la nueva conduce entonces a descubrir el sentido de los nuevos principios, que se habían visto obligados a introducir las teorías cuánticas». Así pues, con Max Born, Niels Bohr, Einstein, De Broglie, Schrödinger y Heisenberg —todos ellos asistentes a la Quinta Conferencia Solvay y Premios Nobel—, como actores principales nace la Mecánica ondulatoria, que es como se llamó al principio o Mecánica cuántica, nombre actual.

¿Somos nosotros una onda? En realidad, el carácter de onda de una persona, o de un objeto por encima del tamaño molecular, es insignificante. Solo cuando hablamos de partículas mucho más pequeñas, como un electrón, o de esa escala atómica o subatómica, cobra importancia ese carácter dual de la materia. Pero, las partículas y sus sistemas de ondas, como quedó dicho, son inseparables y forman una estructura permanente. Somos materia y somos ondas.

En resumen, la historia de la luz y de la materia como onda y como partícula es una historia de investigación y descubrimiento. La dualidad onda-partícula nos sumerge en un universo complejo y fascinante que juega con nosotros y nos quiere ocultar su verdadera naturaleza. La curiosidad del hombre y la potencia de la Ciencia nos han hecho ganar algunas batallas. No, desde luego, la guerra.

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