¿Alguna vez has visto en el cielo nocturno del Desierto de Atacama esas estrellas que parecen titilar? Esa luz que viaja 4 años luz desde Próxima Centauri hasta tu ojo muestra patrones de interferencia como una onda, pero al chocar con tu retina se comporta como partículas llamadas fotón. ¡Eso es la dualidad onda-partícula! Vamos a descifrar este misterio que revolucionó la física y que puedes observar en tu propia casa con un puntero láser o en el Observatorio Paranal.
Experimentos
- doble rendija (noun) /ˈdo.βle renˈdi.ʝa/
- Experimento clásico que demuestra la naturaleza ondulatoria de partículas como electrones o fotones al crear patrones de interferencia característicos.
Sinónimos : experimento de Young, interferómetro de doble rendija
Cuando se dispara una partícula a la vez, cada una crea su propio patrón de interferencia, como si pasara por ambas rendijas simultáneamente.
Si colocas dos cuchillos muy juntos frente a un puntero láser rojo en tu pieza de Concepción, verás franjas claras y oscuras en la pared: ¡eso es interferencia de la luz como onda!
- experimento de Davisson-Germer (noun) /eks.pe.ɾiˈmen.to ðe ðaβiˈson xeɾˈmeɾ/
- Experimento de 1927 que demostró la difracción de electrones, confirmando experimentalmente la relación de De Broglie y la naturaleza ondulatoria de los electrones.
Fue la primera confirmación directa de que partículas como los electrones tienen propiedades ondulatorias.
En un laboratorio universitario en Concepción, puedes recrear este experimento acelerando electrones y observando patrones de difracción similares a los de los rayos X.
Física Cuántica
- constante de Planck (noun) /kon̪sˈtan̪.te ðe ˈplank/
- Constante fundamental que relaciona la energía de un fotón con su frecuencia, con valor h ≈ 6.626 × 10⁻³⁴ J·s.
Sinónimos : h
Es la escala natural de la física cuántica: sin ella, no existirían los cuantos ni la dualidad onda-partícula.
Si la constante de Planck fuera cero, la luz no tendría comportamiento corpuscular y los paneles solares no funcionarían.
- cuanto (noun) /ˈkwan.to/
- Cantidad mínima e indivisible de una magnitud física, como la energía de un fotón o la carga del electrón.
Sinónimos : quantum
La energía de la luz no es continua, sino que viene en paquetes discretos llamados cuantos.
Cuando ajustas el brillo de la pantalla de tu celular en Santiago, estás cambiando el número de cuantos (fotones) que llegan a tus ojos por segundo.
- dualidad onda-partícula (concept) /dwa.liˈðað onda parˈti.ku.la/
- Concepto fundamental de la mecánica cuántica que establece que todas las entidades físicas (como la luz o los electrón) pueden comportarse como onda o como partícula según el experimento realizado.
Sinónimos : dualidad onda-corpúsculo
Es la base que une el mundo microscópico cuántico con nuestra experiencia macroscópica.
La luz del Sol que llega a los paneles solares del Desierto de Atacama muestra patrones de interferencia (onda) pero se detecta como fotones individuales en cada celda fotovoltaica.
- efecto fotoeléctrico (noun) /eˈfek.to fo.to.e.lekˈtɾi.ko/
- Fenómeno en el que los electrones son emitidos desde un material cuando este absorbe fotones con energía suficiente (frecuencia umbral).
Explica el funcionamiento de los paneles solares y valió el Nobel a Einstein en 1921.
Los paneles solares instalados en el Desierto de Atacama convierten los fotones del Sol en electrones libres que generan electricidad para hogares en Antofagasta.
- electrón (noun) /e.lekˈtɾon/
- Partícula subatómica con carga negativa que orbita alrededor del núcleo atómico y que, según la mecánica cuántica, tiene propiedades ondulatorias.
Los electrones en los átomos se describen como ondas de probabilidad, no como partículas puntuales.
Los electrones que circulan por los cables de cobre de tu casa en Valparaíso transportan la electricidad que enciende tus luces.
- energía de un fotón (noun) /e.neɾˈxi.a ðe un foˈton/
- Energía transportada por un fotón individual, directamente proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda.
Explica por qué la luz ultravioleta del Sol puede quemar tu piel, mientras que la luz infrarroja solo calienta.
Un fotón de luz violeta (400 nm) tiene casi el doble de energía que un fotón de luz roja (700 nm), lo que explica por qué los rayos UV son más energéticos.
- fotón (noun) /foˈton/
- Cuanto de energía electromagnética, partícula elemental asociada a la luz y a todas las ondas electromagnéticas.
Sinónimos : cuanto de luz
La luz se comporta como partícula cuando se detecta en fotones individuales, cada uno con energía E = hν.
Cuando usas el control remoto de tu TV en Santiago, los fotones infrarrojos llevan la señal desde el mando hasta el sensor de tu televisor.
- gato de Schrödinger (noun) /ˈɡa.to ðe ˈʃɾe.ðiŋ.ɡeɾ/
- Experimento mental que ilustra la superposición cuántica y el problema de la medición en mecánica cuántica, donde un gato está simultáneamente vivo y muerto hasta ser observado.
Aunque es un experimento mental, representa los desafíos filosóficos de la interpretación de la mecánica cuántica.
Si llevaras un gato en una caja con un dispositivo cuántico en Concepción, hasta que abras la caja no sabrás si el gato está vivo o muerto, ¡pero estará en superposición de ambos estados!
- ley de Planck (noun) /lej ðe ˈplank/
- Ecuación que describe la distribución de energía emitida por un cuerpo negro a una temperatura dada, introduciendo la cuantización de la energía.
Fue la primera vez que se propuso que la energía no es continua, sino que viene en paquetes (cuantos).
Gracias a la ley de Planck, podemos calcular exactamente qué colores emite una estrella según su temperatura superficial.
- observador (noun) /oβ.seɾ.βaˈðoɾ/
- En mecánica cuántica, cualquier sistema que interactúa con un sistema cuántico para medirlo, afectando su estado según el principio de incertidumbre.
El acto de medir cambia el sistema cuántico, algo que no ocurre en la física clásica.
Cuando miras el puntero láser rojo en tu pieza en Concepción, los fotones que rebotan en él cambian ligeramente su trayectoria, afectando la medición.
- principio de complementariedad (noun) /ˈpɾin̪.θi.pjo ðe kom.ple.men.ta.liˈðað/
- Principio enunciado por Niels Bohr que establece que los aspectos ondulatorios y corpusculares de un sistema cuántico son complementarios y no pueden observarse simultáneamente.
Para medir el comportamiento ondulatorio (interferencia), debes renunciar a saber por dónde pasó la partícula, y viceversa.
En un experimento de doble rendija con electrones, si colocas un detector para saber por qué rendija pasa cada electrón, desaparece el patrón de interferencia (comportamiento corpuscular).
- principio de incertidumbre (noun) /ˈpɾin̪.θi.pjo ðe in̪.θer.ti.ðumˈbɾe/
- Principio enunciado por Heisenberg que establece que es imposible medir simultáneamente con precisión arbitraria la posición y el momento lineal de una partícula.
Sinónimos : principio de indeterminación
No es un problema técnico, sino una propiedad fundamental de la naturaleza a escala cuántica.
Si intentas medir la posición de un electrón en un átomo con mucha precisión, su momento lineal se vuelve cada vez más incierto, como si se volviera más 'ondulatorio'.
- relación de De Broglie (noun) /re.laˈsjon de ðe bʝwaʝ/
- Ecuación que asigna una longitud de onda a cualquier partícula en movimiento, mostrando su naturaleza ondulatoria.
Sinónimos : longitud de onda de materia
Permite calcular la longitud de onda de cualquier objeto, incluso tú caminando: λ = h/p.
Un electrón acelerado a 1% de la velocidad de la luz en un laboratorio de la Universidad de Chile tiene una longitud de onda de De Broglie de aproximadamente 0.02 nanómetros.
- superposición cuántica (noun) /su.peɾ.po.siˈθjon kwanˈti.ka/
- Principio que establece que un sistema cuántico puede existir en múltiples estados simultáneamente hasta que es medido, momento en el que colapsa a un estado definido.
Es la base de tecnologías como la computación cuántica y explica fenómenos como el gato de Schrödinger.
Imagina que tienes una moneda cuántica en Santiago: antes de mirarla, está en superposición de cara y sello al mismo tiempo, pero al observarla, elige un estado.
Física Teórica
- física clásica (noun) /ˈfi.si.ka ˈkla.si.ka/
- Conjunto de teorías físicas (mecánica newtoniana, electromagnetismo de Maxwell) que describen el mundo macroscópico sin considerar efectos cuánticos.
Sinónimos : física newtoniana
La física clásica falla al describir fenómenos a escala atómica o subatómica, donde la mecánica cuántica toma el relevo.
Si lanzas una pelota de fútbol en el Estadio Nacional, la física clásica es suficiente para predecir su trayectoria, pero no para describir el comportamiento de los electrones en el balón.
- mecánica cuántica (noun) /meˈka.ni.ka kwanˈti.ka/
- Teoría física que describe el comportamiento de partículas a escalas atómicas y subatómicas, donde los fenómenos no pueden explicarse con la física clásica.
La dualidad onda-partícula es uno de sus pilares fundamentales junto con el principio de incertidumbre.
Los transistores en tu computadora y el chip de tu celular funcionan gracias a principios de mecánica cuántica que permiten la miniaturización de componentes.
Mecánica
- momento angular (noun) /moˈmen.to aŋ.ɡuˈlaɾ/
- Magnitud física que describe el movimiento de rotación de un objeto, análogo al momento lineal pero para rotaciones.
Sinónimos : momento cinético
En mecánica cuántica, el momento angular está cuantizado y determina los niveles de energía de los electrones en los átomos.
Cuando un patinador sobre hielo en el Patinódromo de Ñuñoa gira más rápido al encoger los brazos, está cambiando su momento angular.
- momento lineal (noun) /moˈmen.to liˈne.al/
- Magnitud física que representa la cantidad de movimiento de un objeto, igual al producto de su masa por su velocidad (p = mv).
Sinónimos : cantidad de movimiento
En la relación de De Broglie, el momento lineal determina la longitud de onda asociada a una partícula.
Un camión de 20 toneladas circulando a 60 km/h por la Ruta 5 en Chile tiene un momento lineal mucho mayor que una pelota de fútbol pateada en el estadio.
- partícula (noun) /paɾˈti.ku.la/
- Objeto físico con masa y posición definida en el espacio que, según la mecánica cuántica, también puede exhibir propiedades ondulatorias.
Sinónimos : corpúsculo
En el mundo cuántico, incluso objetos macroscópicos como granos de arena tienen una longitud de onda asociada, aunque imperceptible.
Un grano de sal que cae en tu comida en Concepción es una partícula clásica, pero un electrón acelerado en un laboratorio de la USACH también se comporta como onda.
Ondas y Acústica
- difracción (noun) /di.fɾakˈθjon/
- Flexión de las ondas alrededor de obstáculos o a través de aberturas, que permite que las ondas se propaguen en regiones de sombra geométrica.
Es una propiedad exclusiva de las ondas y se observa en experimentos como el de la doble rendija o con ondas de sonido.
Cuando escuchas a alguien hablar detrás de un muro en el cerro Santa Lucía, estás experimentando difracción del sonido que se curva alrededor del obstáculo.
- frecuencia (noun) /fɾeˈkwen̪.sja/
- Número de oscilaciones completas de una onda por unidad de tiempo, medida en hercios (Hz). Determina la energía de los fotones.
Sinónimos : ν
Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía del fotón (E = hν).
La frecuencia de la corriente eléctrica en Chile es de 50 Hz, pero la luz visible tiene frecuencias entre 400 y 790 terahercios (THz).
- interferencia (noun) /in̪.teɾ.feˈɾen̪.sja/
- Fenómeno en el que dos o más ondas se superponen, resultando en una onda de mayor, menor o igual amplitud dependiendo de la fase relativa.
Sinónimos : superposición de ondas
Es la prueba más clara del comportamiento ondulatorio y se observa en experimentos como la doble rendija.
Cuando lanzas dos piedras en el lago de la Plaza de Armas de Concepción, las ondas circulares que se forman pueden cancelarse o reforzarse donde se cruzan.
- longitud de onda (noun) /loŋˈɡi.tud de ˈoŋ.da/
- Distancia entre dos puntos idénticos consecutivos en una onda (por ejemplo, de cresta a cresta). Determina el color de la luz visible.
Sinónimos : λ
A menor longitud de onda, mayor energía del fotón asociado (E = hc/λ).
La luz roja que ves en los semáforos de Santiago tiene una longitud de onda de aproximadamente 700 nanómetros, mientras que la luz violeta ronda los 400 nm.
- onda (noun) /ˈon.da/
- Perturbación que se propaga en un medio transportando energía sin transportar materia. Puede ser mecánica (sonido) o electromagnética (luz).
Sinónimos : onda mecánica, onda electromagnética
Las ondas pueden interferir entre sí, creando patrones que revelan su naturaleza ondulatoria.
Las olas que rompen en la playa de Reñaca muestran interferencia: cuando dos crestas coinciden, el agua sube más alto (interferencia constructiva).
Relatividad
- velocidad de la luz (noun) /bel.siˈðað ðe la ˈluθ/
- Velocidad máxima a la que puede viajar la información o la energía en el universo, con valor c ≈ 299 792 458 m/s en el vacío.
Sinónimos : c
Es la velocidad a la que se propagan todas las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz visible.
La luz del Sol tarda aproximadamente 8 minutos y 20 segundos en llegar a la Tierra, viajando a la velocidad de la luz desde la superficie solar.
Termodinámica
- cuerpo negro (noun) /ˈkweɾ.po ˈne.ɣɾo/
- Objeto ideal que absorbe toda la radiación electromagnética incidente y emite radiación térmica según su temperatura.
El estudio de la radiación del cuerpo negro llevó al nacimiento de la mecánica cuántica con la ley de Planck.
El Sol se comporta aproximadamente como un cuerpo negro a 5778 K, emitiendo luz blanca que llega a la Tierra.
Óptica
- espectro electromagnético (noun) /esˈpek.tɾo e.lek.tɾo.maɣˈne.ti.ko/
- Conjunto completo de todas las posibles longitudes de onda de la radiación electromagnética, desde ondas de radio hasta rayos gamma.
La luz visible es solo una pequeña porción de este espectro, que va desde 10⁻¹² m (rayos gamma) hasta 10⁴ m (ondas de radio).
Cuando enciendes el microondas en tu casa de Santiago, estás usando ondas electromagnéticas con longitud de onda de unos 12 cm, fuera del rango visible.
- luz (noun) /luθ/
- Radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano, con longitudes de onda entre 380 nm y 750 nm. También se comporta como partícula en ciertos experimentos.
Sinónimos : radiación electromagnética, radiación visible
La luz es el ejemplo más cotidiano de la dualidad onda-partícula que puedes observar en tu casa.
Cuando enciendes la lámpara de tu pieza en Santiago, la luz blanca que ves es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles, pero cada fotón individual transporta una energía específica.
- onda electromagnética (noun) /ˈon.da e.lek.tɾo.maɣˈne.ti.ka/
- Onda formada por campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan en el vacío a la velocidad de la luz, incluyendo la luz visible, ondas de radio y rayos X.
Sinónimos : radiación electromagnética
Todas las ondas electromagnéticas, desde las FM hasta los rayos gamma, son el mismo fenómeno descrito por las ecuaciones de Maxwell.
Las ondas de radio FM que escuchas en tu auto en Viña del Mar son ondas electromagnéticas con longitudes de onda de unos 3 metros.
- polarización (noun) /po.la.ɾi.θaˈθjon/
- Propiedad de las ondas transversales (como la luz) que describe la orientación de sus oscilaciones en el plano perpendicular a la dirección de propagación.
Se usa en gafas de sol polarizadas para reducir reflejos molestos en superficies como el mar o el asfalto.
Las gafas de sol polarizadas que usas en la playa de Viña del Mar bloquean los reflejos horizontales del sol en el agua, mejorando la visibilidad.