La rareza cu¨¢ntica de la luz como onda y part¨ªcula

?La luz es una onda que se propaga como las olas del mar? Si, al fin y al cabo, los distintos colores de la luz se expresan como distintas longitudes de onda, m¨¢s corta la azul, m¨¢s larga la roja... ?Pero no es tambi¨¦n una part¨ªcula, como muestra el hecho de que el fot¨®n, la part¨ªcula de luz, interacciona como un objeto cuando golpea a otro objeto, ya sea otra part¨ªcula u otro ¨¢tomo? La respuesta est¨¢ en la mec¨¢nica cu¨¢ntica, la teor¨ªa desarrollada en el siglo XX que describe con asombroso ¨¦xito y precisi¨®n el mundo microsc¨®pico y que resulta igualmente asombrosa por sus reglas contrarias a menudo a la intuici¨®n. La luz es a la vez onda y part¨ªcula. Numerosos experimentos se han hecho a lo largo de los a?os que demuestran esta rara dualidad y en los que los fotones son ondas o son part¨ªculas dependiendo del aparato con que se mida. Ahora dos equipos cient¨ªficos, uno de la Universidad de Bristol (Reino Unido) y otro del CNRS franc¨¦s, han hecho dos audaces experimentos en que han logrado medir simult¨¢neamente la mutaci¨®n de la luz entre onda y part¨ªcula.

La cuesti¨®n viene de lejos, de mucho antes de convertirse en uno de los pilares de la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Isaac Newton, en el siglo XVII, con sus experimentos de ¨®ptica, defini¨® la luz como part¨ªculas de diferentes colores. Para otro sabio, Christiaan Huygens, la luz eran ondas, como las olas en el agua. La balanza se decant¨® despu¨¦s en el mundo de la f¨ªsica a favor de las ondas, con el sobresaliente ¨¦xito de James Clerk Maxwell y su teor¨ªa del electromagnetismo. Albert Einstein y la mec¨¢nica cu¨¢ntica, ya en el siglo XX, zanjaron la cuesti¨®n, pero de la forma m¨¢s rara: la luz es a la vez onda (electromagn¨¦tica) y part¨ªcula (el fot¨®n, o cuanto de energ¨ªa, como postul¨® Einstein). Esta dualidad, adem¨¢s, no se limita a la luz en el mundo cu¨¢ntico, ya que tambi¨¦n se verifica en otras part¨ªculas, como el electr¨®n, o incluso en ¨¢tomos enteros.

¡°La mec¨¢nica cu¨¢ntica predice con notable precisi¨®n el resultado de experimentos con objetos peque?os, como ¨¢tomos y fotones. Sin embargo, cuando se observan m¨¢s de cerca esas predicciones, nos vemos obligados a admitir que desaf¨ªan nuestra intuici¨®n¡±, escrib¨ªan recientemente Alberto Peruzzo y sus colegas de la Universidad de Bristol, en la revista Science, al presentar los resultados de su experimento con un nuevo tipo de aparato de medida.

Albert Einstein defini¨® el fot¨®n como un cuanto de energ¨ªa

Cuando un fot¨®n se observa, se comporta como una part¨ªcula o como una onda, explican los cient¨ªficos de Bristol, pero ambos aspectos nunca se hab¨ªan observado simult¨¢neamente hasta estos experimentos ¡ªdicen¡ª, ya que la exhibici¨®n de uno u otro comportamiento depende del tipo de medida. Ellos han ideado y construido un ensayo que mide ambos comportamientos simult¨¢neamente.

¡°Dos rayos de luz interfieren de modo muy parecido al de las ondas sonoras emitidas por dos altavoces est¨¦reo, por ejemplo. Por otra parte, la luz interact¨²a con la materia como solo pueden hacerlo las part¨ªculas, como sucede en el efecto fotoel¨¦ctrico¡±, recalca el f¨ªsico Amir D.Aczel en su libro Entrelazamiento. ¡°Esta dualidad ¡ªy aparente paradoja¡ª es uno de los pilares de la f¨ªsica moderna¡±.

El truco cu¨¢ntico es otra predicci¨®n extra?a de esta teor¨ªa f¨ªsica y es que una part¨ªcula, como un fot¨®n, puede estar en diferentes sitios a la vez (en infinitos sitios, de hecho) al mismo tiempo, y de ah¨ª su comportamiento como onda.

¡°La dualidad es uno de los pilares de la f¨ªsica moderna¡±, dice Amir D.Aczel

Lo que Peruzzo y sus colegas han hecho en su laboratorio es un dispositivo que aprovecha otra caracter¨ªstica cu¨¢ntica ¡ªcontraria a la intuici¨®n¡ª de las part¨ªculas: el entrelazamiento, en este caso de los fotones. Por este efecto, dos part¨ªculas de un mismo sistema (como dos electrones de un ¨¢tomo) comparten propiedades independientemente de a qu¨¦ distancia lleguen a estar una de otra. As¨ª, un cambio en una se manifiesta autom¨¢ticamente en la otra por este efecto cu¨¢ntico del entrelazamiento. Es, dice el experto Ignacio Cirac, como si dos fotones estuvieran unidos por un hilo y cuando tiras de uno se mueve el otro... pero sin hilo y sin l¨ªmite de distancia.

El experimento de Bristol se basa conceptualmente en un c¨¦lebre experimento te¨®rico propuesto en los a?os ochenta por John Wheeler, que dice, b¨¢sicamente, que es el acto de observar un fot¨®n lo que determina si se comportar¨¢ como part¨ªcula o como onda. Peruzzo y sus colegas, en su laboratorio, entrelazan dos fotones y alternan en uno de ellos el m¨¦todo de medida (como onda o como part¨ªcula) para explorar en el otro la continua mutaci¨®n del otro entre su comportamiento dual. Su conclusi¨®n es que ¡°el fot¨®n se comporta simult¨¢neamente como onda y como part¨ªcula, lo que refuta los modelos en que es una u otra¡±, explica Peruzzo.

Por su parte, los cient¨ªficos del CNRS (Centro Nacional de Investigaci¨®n Cient¨ªfica de Francia), liderados por Florian Kaiser, tambi¨¦n han llevado a su laboratorio una versi¨®n del experimento de Wheeler con un enfoque similar, aunque con equipos diferentes y su conclusi¨®n es la misma: observan un fot¨®n colocado en un dispositivo denominado interfer¨®metro y el otro, el entrelazado, les permite determinar el comportamiento que muestra, como onda, como part¨ªcula o como algo intermedio.

Jeremy L. O'Brien, director del Centro de Fot¨®nica Cu¨¢ntica de la Universidad de Bristol, explica en un comunicado de dicha instituci¨®n que para esta investigaci¨®n han utilizado una nueva tecnolog¨ªa desarrollada por ellos que es un chip cu¨¢ntico reconfigurable, por lo que pueden programarlo y controlarlo para formar diferentes circuitos. ¡°Esta tecnolog¨ªa es un enfoque avanzado en la investigaci¨®n para construir un computador cu¨¢ntico y en el futuro permitir¨¢ realizar nuevos estudios m¨¢s sofisticados de los aspectos fundamentales de los fen¨®menos cu¨¢nticos¡±.