Dualidad onda-partícula, bien planteada

1. El relato de manual (y de dónde viene)

La historia que reciben la mayoría de los estudiantes va más o menos así. La luz es una onda (experimento de doble rendija de Young, 1801) hasta que en 1905 Einstein muestra que también es partícula (efecto fotoeléctrico). La materia es partículas (electrones, átomos) hasta que en 1927 Davisson y Germer muestran que los electrones hacen patrones de difracción — la materia también es ondulatoria. Así que todo es ambas cosas. A veces actúa como onda; a veces como partícula. La mecánica cuántica es la teoría que se ocupa de esta extraña doble naturaleza.

Esto es aproximadamente correcto al nivel de «cosas que recordar para el examen». Es falso al nivel de lo que la física realmente dice. Tres cosas hay que corregir:

• No es cierto que los electrones sean «realmente» ondas o «realmente» partículas, siendo la otra apariencia una aproximación. Los electrones no son ni lo uno ni lo otro. Son un tercer tipo de cosa, llamado sistema cuántico, que no tiene análogo clásico completo.
• La «dualidad» no está en el sistema. Está en el contexto de medida. El mismo electrón, el mismo fotón, el mismo átomo muestran comportamiento ondulatorio o corpuscular según cómo esté configurado el experimento para detectarlo — no porque el sistema cambie, sino porque el experimento está haciendo preguntas distintas.
• La teoría cuántica de campos, el marco contemporáneo real, disuelve la dualidad casi por completo. No hay partículas fundamentales. Hay solo campos. Lo que llamamos partículas son excitaciones localizadas de esos campos.

Cada una de estas correcciones merece ser desarrollada.

2. Qué significan realmente «ondulatorio» y «corpuscular»

Las dos palabras tienen significados operacionales específicos en el experimento. No son intuiciones vagas; son descripciones de resultados de medida.

«Corpuscular» significa: el sistema se detecta en un lugar localizado específico. Un fotón impacta un píxel específico de la pantalla. Un electrón dispara un detector específico y no los demás. El resultado es discreto — un clic, un lugar — no extendido.

«Ondulatorio» significa: el patrón estadístico de muchas detecciones de ese tipo, representado en la pantalla, muestra franjas de interferencia — el patrón característico claro-oscuro-claro-oscuro que se daría si el sistema hubiera explorado simultáneamente múltiples caminos y los caminos hubieran interferido entre sí.

Estas no son contradictorias. El clic individual es el resultado individual. El patrón de clics, en miles o millones de repeticiones, es la estadística ondulatoria. Un fotón a la vez aparece en un único punto de la pantalla. Muchos fotones a uno cada uno construyen un patrón de interferencia. La «dualidad» onda-partícula es la manera en que estos dos hechos coexisten: cada detección está localizada, pero la probabilidad de detección en cada lugar sigue una ecuación de onda.

Así que cuando los físicos dicen que la luz es «a la vez onda y partícula», lo que realmente quieren decir, con más precisión, es esto:

La probabilidad de detectar un sistema cuántico en cualquier lugar específico está gobernada por una ecuación de onda, cuya solución (la función de onda) describe cómo la amplitud está distribuida entre los posibles resultados. Las detecciones individuales son siempre discretas y localizadas. La onda está en la probabilidad, no en la cosa.

Este es un enunciado mucho más extraño que «a veces es onda, a veces partícula», pero está más cerca de lo que las ecuaciones realmente dicen.

3. La dualidad está en la medida, no en el sistema

El clásico experimento de la doble rendija lo deja claro. Envía fotones de uno en uno a una pantalla con dos rendijas. Si pones un detector en las rendijas que te diga por qué rendija pasó cada fotón, el patrón de interferencia desaparece y ves dos franjas simples — «comportamiento corpuscular». Si quitas el detector de qué-rendija, el patrón de interferencia vuelve — «comportamiento ondulatorio».

La interpretación clásica sería que el fotón «cambió de opinión» entre ser onda o partícula según si alguien le estaba mirando. Esto es, por supuesto, absurdo. La interpretación moderna, que los experimentos apoyan, es que el fotón nunca fue una onda o una partícula. Es un sistema cuántico cuya distribución de amplitud sobre caminos posibles interfiere consigo misma a menos que algo registre por qué camino se fue. Si existe un registro, las amplitudes para los dos caminos ya no suman coherentemente — el experimento contiene ahora un canal de información «qué-camino» que decohera el sistema.

Lo notable es que el registro no necesita ser observado por un humano. Solo necesita existir de una forma lo bastante macroscópica para que pudiera en principio ser observado. Que un fotón se disperse en la rendija ya es suficiente — el fotón se lleva la información qué-camino al entorno. La interferencia desaparece no porque alguien haya mirado, sino porque la información sobre por qué camino se fue está ahora distribuida de un modo que impide que las amplitudes se combinen.

Esto es de nuevo la decoherencia, el mismo proceso que recorre la página de la línea cuántica-clásica. Si el fotón «se comporta como onda o como partícula» es abreviatura de «si las amplitudes para los dos caminos pueden todavía interferir entre sí». Eso depende del entorno, no del fotón.

4. El experimento de elección diferida de Wheeler

El refinamiento más llamativo de este punto es la propuesta de elección diferida de John Wheeler, esbozada por primera vez en 1978 y ahora confirmada experimentalmente muchas veces. Monta el experimento de la doble rendija de modo que la decisión de si instalar el detector qué-camino se toma después de que el fotón ya haya pasado por las rendijas. Por cualquier lectura clásica, el fotón ya «decidió» ser onda o partícula para cuando hagas la elección. La pregunta de Wheeler: ¿qué pasa?

Lo que pasa, demostrado repetidamente en experimentos reales (Jacques et al. 2007, Manning et al. 2015, y otros), es que el resultado coincide con la medida que finalmente se hace. Si decides tarde registrar qué-camino, no ves interferencia. Si decides tarde no registrar, ves interferencia. El carácter «onda o partícula» del fotón está determinado por la medida que finalmente se hace, no por algo que el fotón hiciera en las rendijas.

Esto se describe a veces como «el presente determina el pasado», y la formulación está sobrecargada pero no es errónea. La formulación adecuada es más cuidadosa: no hay un hecho establecido sobre si el fotón era onda o partícula en las rendijas. El carácter del sistema queda fijado por el arreglo experimental completo — incluyendo la parte que aún no ha ocurrido. Este es uno de varios indicadores hacia el marco temporalmente simétrico (véase la página del TSVF) en el que pasado y futuro restringen conjuntamente los estados cuánticos presentes.

El experimento de elección diferida no puede hacerse encajar dentro del vocabulario onda-versus-partícula. Requiere la visión moderna: el sistema es una sola cosa cuántica, y el contexto de medida determina qué tipo de cosa podemos decir sobre él.

5. La teoría cuántica de campos disuelve la dualidad

La mecánica cuántica tal como se desarrolló en los años 1920 y 1930, donde la dualidad onda-partícula suele situarse, ha sido superada hace sesenta años por la teoría cuántica de campos — el marco que subyace a la física de partículas, al Modelo Estándar y esencialmente a toda predicción fundamental confirmada por los experimentos de aceleradores. En la TCC, la dualidad ya ha sido resuelta, aunque la historia popular no se ha puesto al día.

En la TCC, no hay partículas como entidades fundamentales. Hay campos — el campo del electrón, el campo del fotón, el campo de Higgs, cada uno extendiéndose por todo el espacio. Los campos son los objetos fundamentales. Lo que llamamos «partículas» son excitaciones localizadas de los campos — modos cuantizados que llevan energía y momento en paquetes discretos.

Desde esta perspectiva, la «dualidad» onda-partícula desaparece por completo. La onda es el campo. La partícula es el cuanto del campo. No son dos cosas distintas; son dos aspectos distintos de la misma cosa — el campo, que se comporta ondulatoriamente en su propagación y corpuscularmente en sus interacciones. Un electrón no es «a veces onda y a veces partícula». Un electrón es una excitación cuantizada del campo electrónico, y el perfil espacial del campo es la «onda» mientras que la unidad discreta de energía que lleva la excitación es la «partícula».

Esta resolución es intuitiva una vez enunciada con claridad. Una cuerda de guitarra vibra como onda; la vibración lleva energía en cuantos discretos (llamados fonones en física del estado sólido, fotones en electromagnetismo); la onda y los cuantos no compiten. Son descripciones distintas del mismo sistema físico. El agua del océano se propaga en ondas; la energía de la ola puede transferir momento a objetos en impactos discretos. La misma imagen.

Lo extraño de la formulación de los años 1920 era tratar el aspecto ondulatorio (la función de onda de Schrödinger) y el aspecto corpuscular (la interpretación probabilística de Born) como si compitieran por el estatus de fundamental. La TCC recupera ambos como consecuencias naturales de los campos con excitaciones cuantizadas, y ninguno es más fundamental que el otro.

6. Entonces, ¿qué es una partícula?

La respuesta honesta: un modo localizado y cuantizado de un campo. Esa frase lleva toda la verdad y no admite abreviaturas cómodas.

Una partícula está localizada porque la excitación del campo está concentrada en una región pequeña del espacio. Está cuantizada porque la excitación lleva energía en paquetes discretos — nh y no 0,7nh. Es un modo porque el perfil ondulatorio de la excitación tiene una forma específica, determinada por las ecuaciones del campo y las condiciones de contorno del experimento. Nada de esto encaja en la imagen cotidiana de «una pequeña bola dura». Es un tipo distinto de cosa.

Lo que persiste del concepto clásico de partícula es el hecho de que las interacciones son discretas — no puedes transferir media unidad de energía de fotón, solo cero fotones o un fotón o dos fotones. Lo que se pierde es la imagen clásica de un pequeño objeto localizado con trayectoria definida y propiedades definidas. La trayectoria es reemplazada por la evolución según la ecuación de onda; las «propiedades definidas» son reemplazadas por amplitudes de probabilidad sobre resultados de medida posibles.

La dualidad onda-partícula, al final, es la historia de un vocabulario construido para bolas de billar al que se le pide describir excitaciones de campos. El vocabulario no puede hacerlo. Así que los físicos conservaron ambas palabras, las usaron según fuera necesario, y llamaron a la contradicción «dualidad». La contradicción no está en el mundo. Está en el vocabulario.

7. Qué significa esto para la trilogía

Dos implicaciones tejidas a través de los libros.

Primera, la imagen de la realidad alrededor de la cual está construida la trilogía — que hay un campo-sustrato subyacente, y que los objetos separados que percibimos son modos localizados de ese sustrato — no es una metáfora estirada desde la física. Es la ontología real de la física contemporánea. En la TCC, cada electrón es el mismo campo electrónico, localmente excitado. Cada fotón es el mismo campo electromagnético, localmente excitado. La aparente separación de los objetos es la apariencia de modos localizados; debajo, hay un campo continuo para cada especie, y al nivel más profundo sospechamos que hay un único campo continuo en total, del que los campos específicos de especie son aspectos.

La afirmación de la trilogía es que la conciencia tiene la misma estructura. Hay un campo-conciencia subyacente; lo que llamamos «tu conciencia» y «mi conciencia» son modos localizados de ese campo, del mismo modo en que dos fotones son modos localizados del campo electromagnético. El modelo del receptor es la propuesta de que los cerebros están configurados para sostener tales modos localizados — no que generen conciencia desde cero, como tampoco una cuerda de guitarra genera el sonido desde cero. La cuerda se acopla al campo de ondas de presión y resuena como modo localizado; el cerebro se acopla al campo de conciencia y resuena como modo localizado. La metáfora deja de ser metáfora. Es la misma afirmación estructural, hecha en dos dominios.

Segunda, la confusión onda-partícula es una advertencia. Durante cien años gente inteligente discutió cuál de dos descripciones inadecuadas era la «real», cuando ninguna lo era. El error era de marco, no de hecho. La preocupación central de la trilogía es que la disputa contemporánea sobre la conciencia tiene el mismo carácter. «¿La conciencia es producida por el cerebro o recibida por él?» puede ser la disputa onda-versus-partícula aplicada a la mente. La respuesta honesta puede ser: ninguna, de un modo que requiere un vocabulario distinto, y el vocabulario correcto resultará obvio en retrospectiva una vez encontrado.

El modelo del receptor es un vocabulario candidato. Si es el correcto, está abierto. Lo que está cerrado es la suposición de que el modelo de producción es la única opción seria. La dualidad onda-partícula ha sido «resuelta» al reconocer que estábamos haciendo la pregunta equivocada. El problema duro de la conciencia puede estar en la misma posición.

Esta página es parte de los ensayos compañeros de Lecturas. Para el marco temporalmente simétrico detrás del experimento de elección diferida, véase la página del TSVF; para qué es realmente una onda de qué la función de onda, véase ¿Sobre qué ondula la onda?; para la síntesis, La Evidencia.