Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Ondas y partículas: El misterio central de la mecánica cuántica - Chad Orzel

Traductor: Sebastian Betti Revisor: Jenny Lam-Chowdhury

One of the most amazing facts in physics is this:

Uno de los hechos más sorprendentes en física es el siguiente:

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

todo en el universo, la luz, los electrones, los átomos,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

se comportan como partículas y ondas al mismo tiempo.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Todo lo raro que pueden haber oído de la física cuántica,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

el gato de Schrodinger, Dios y los dados, la acción fantasmal a distancia,

all of it follows directly from the fact

todo eso se deriva del hecho

that everything has both particle and wave nature.

de que todo tiene naturaleza de partícula y de onda a la vez.

This might sound crazy.

Puede parecer loco.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Si miran alrededor, verán ondas en el agua y partículas en la roca,

and they're nothing alike.

y no se parecen en nada.

So why would you think to combine them?

¿Por qué pensarlas combinadas entonces?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Los físicos no decidieron mezclar estas cosas de la nada.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Más bien, llegaron a la naturaleza dual del universo

through a process of small steps,

a través de un proceso de pequeños pasos,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

encajando mucha evidencia, como piezas de un rompecabezas.

The first person to seriously suggest the dual nature of light

La primera persona que sugirió seriamente la naturaleza dual de la luz

was Albert Einstein in 1905,

fue Albert Einstein en 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

pero tomó una idea anterior de Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck explicó los colores de la luz emitida por objetos calientes,

like the filament in a light bulb,

como el filamento de una bombilla de luz,

but to do it, he needed a desperate trick:

pero para hacerlo, necesitaba un truco desesperado:

he said the object was made up of oscillators

dijo que el objeto estaba compuesto por osciladores

that could only emit light in discrete chunks,

que podían emitir luz en trozos discretos,

units of energy that depend on the frequency of the light.

unidades de energía que dependen de la frecuencia de la luz.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck no estaba muy contento con esto, pero Einstein la tomó y siguió con eso.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Aplicó la idea de Planck a la luz en sí, diciendo que la luz,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

que todo el mundo sabía que era una onda, es realmente un flujo de fotones,

each with a discrete amount of energy.

cada uno con una cantidad discreta de energía.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Einstein mismo llamó a esto lo único verdaderamente revolucionario que hizo,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

dice que la luz que brilla en un metal golpea electrones sueltos.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

Incluso quienes odiaban la idea tenían que aceptar que funciona brillantemente.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

La siguiente pieza del rompecabezas vino de Ernest Rutherford, en Inglaterra.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

En 1909, Ernest Marsden y Hans Geiger, trabajando para Rutherford,

shot alpha particles at gold atoms

dispararon partículas alfa a átomos de oro

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

y se sorprendieron al ver que algunas rebotaban hacia atrás.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Esto mostró que la mayoría de la masa atómica

se concentra en un pequeño núcleo.

El átomo de caricatura que aprendes en la primaria,

The cartoon atom you learn in grade school,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

con los electrones en órbita como un sistema solar en miniatura,

that's Rutherford's.

eso es de Rutherford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Hay un pequeño problema con el átomo de Rutherford: no funciona.

Classical physics tells us that an electron

La física clásica nos dice que un electrón

whipping around in a circle emits light,

que gira en círculos emite luz,

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

y usamos esto todo el tiempo para generar ondas de radio y rayos X.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

Los átomos de Rutherford esparcen rayos X por doquier durante un breve instante

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

antes de que las espirales de electrones choquen contra el núcleo.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Pero Niels Bohr, un físico teórico danés que trabaja con Rutherford,

pointed out that atoms obviously exist,

señaló que, obviamente, los átomos existen,

so maybe the rules of physics needed to change.

así que quizá las reglas de la física tenían que cambiar.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr propuso que un electrón en ciertas órbitas especiales

doesn't emit any light at all.

no emite luz en absoluto.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Los átomos absorben y emiten luz solo si los electrones cambian de órbitas,

and the frequency of the light depends on the energy difference

y la frecuencia de la luz depende de la diferencia de energía

in just the way Planck and Einstein introduced.

en la manera que presentaron Planck y Einstein.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

El átomo de Bohr soluciona el problema de Rutherford

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

y explica por qué los átomos emiten solo colores muy específicos de la luz.

Each element has its own special orbits,

Cada elemento tiene sus propias órbitas especiales,

and thus its own unique set of frequencies.

y por lo tanto su propio y único conjunto de frecuencias.

The Bohr model has one tiny problem:

El modelo de Bohr tiene un pequeño problema:

there's no reason for those orbits to be special.

no hay razón para que esas órbitas sean especiales.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Pero Louis de Broglie, un estudiante de doctorado francés,

brought everything full circle.

hizo cerrar el círculo.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Señaló que si la luz, que todos sabían es una onda,

behaves like a particle,

se comporta como una partícula,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

quizá el electrón, que todos sabían que es una partícula,

behaves like a wave.

se comporta como una onda.

And if electrons are waves,

Y si los electrones son ondas,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

es fácil de explicar por qué la regla de Bohr tiene órbitas especiales.

Una vez que tienes la idea de que los electrones se comportan como ondas,

Once you have the idea that electrons behave like waves,

you can go look for it.

puedes ir en su búsqueda.

And within a few years, scientists in the US and UK

Y en unos años, científicos de EE.UU. y el Reino Unido

had observed wave behavior from electrons.

observaron comportamiento de ondas en electrones.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Hoy tenemos una demostración maravillosamente clara de esto:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

disparar electrones individuales en una barrera con ranuras cortadas en ella.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Cada electrón se detecta en un lugar específico en un momento específico,

like a particle.

como una partícula.

But when you repeat the experiment many times,

Pero al repetir el experimento muchas veces,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

todos los electrones individuales trazan un patrón de rayas,

characteristic of wave behavior.

característico de las ondas.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

La idea de que las partículas se comportan como ondas, y viceversa,

is one of the strangest and most powerful in physics.

es de las más extrañas y más poderosas de la física.

Richard Feynman famously said

Richard Feynman dijo la famosa frase

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

que esto ilustra el misterio central de la mecánica cuántica.

Everything else follows from this,

Todo lo demás se deriva de esto,

like pieces of a puzzle falling into place.

y encaja como piezas de un rompecabezas.