Ser o no ser… una onda-corpúsculo, esa es la cuestión

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No, no es Hamlet, en esta ocasión el protagonista es “el fotón”, un ser algo más modesto que, al igual que el Príncipe de Dinamarca en la obra de Shakespeare, libra una lucha existencial interna. ¿Seré una onda o una partícula? Está claro que necesitará la ayuda de algún especialista para no terminar desquiciado pero, no hay problema, los físicos cuánticos tienen la respuesta: Sr. Fotón, es usted una “onda-corpúsculo”.

¿Quién no ha oído hablar de la dualidad onda-corpúsculo? Si consultamos en Wikipedia, lo primero que leemos es que se trata de “un fenómeno cuántico, bien contrastado empíricamente”. Llámalo desconfiado, pero al fotón le ha sonado a eso de “dime de qué presumes y te diré de qué careces”.

Llevo un tiempo interesándome por la situación del fotón (“cuanto de luz”, para los amigos) y he terminado por cogerle aprecio. Así que, he consultado por mi cuenta a otro acreditado especialista, se llama Albert Einstein y en su libro “Notas autobiográficas” escribió:

“Esa doble naturaleza de la radiación (y de los corpúsculos materiales) es una propiedad capital de la realidad que la mecánica cuántica interpretó de manera ingeniosa y con éxito pasmoso. Esta interpretación, que casi todos los físicos contemporáneos tienen por esencialmente definitiva, se me antoja una salida meramente temporal;…”

Bueno, digo yo que los hechos serán los que sean, pero las interpretaciones de esos hechos son siempre susceptibles de discusión. En eso espero que estemos de acuerdo, porque en esta entrada del blog voy a tratar de hacer algo que muchos consideran imposible, esto es, poner en cuestión la consideración actual sobre la naturaleza dual fundamental del ente que sirvió para dar nombre a la mecánica cuántica, el “cuanto de luz”, ¡ahí es nada!

Así que, antes de ponernos tensos, ¿qué os parece si hacemos un somero repaso a lo que sabemos, o hemos creído saber, acerca de la luz?

 

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El más desarrollado de nuestros sentidos es el de la vista, sin embargo, con él sólo somos capaces de percibir colores que van desde el rojo al violeta, lo que llamamos “luz visible”; por debajo del rojo (con una frecuencia menor) existen las radiaciones infrarrojas, las microondas y las ondas de radio; por encima del violeta (con una frecuencia mayor) encontramos las ultravioletas, los rayos x y los gamma. Todas invisibles, a las que los físicos también llaman “luz”.

 

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El caso es que los humanos hemos sentido fascinación por la luz desde que tenemos capacidad de razonamiento. El avance tecnológico que marcó un punto de inflexión fue, sin duda, el fuego, una combustión donde se emite luz visible y radiación infrarroja, que proporciona protección ante la oscuridad y el frío, y que también es la fuente de las primeras preguntas sobre su origen y naturaleza.

 

Imagen de Luc Viatour
Imagen de Luc Viatour

Los antiguos pensadores griegos imaginaron la luz compuesta de rayos de partículas que se mueven en línea recta, pero no se pusieron de acuerdo sobre qué o quién era el emisor y qué o quién el receptor. En cualquier caso, supuso un gran avance en cuanto a la comprensión de la geometría de los fenómenos ópticos, que posteriormente seguirían desarrollando los pensadores islámicos.

 

René Descartes
Christiaan Huygens

En el siglo XVII, Descartes propuso un modelo sobre la naturaleza de la luz en un ensayo titulado: “La Dioptrique”, según el cual ésta se desplazaría como una presión ejercida sobre un medio elástico (el éter), es decir, como una onda. Sus ideas tuvieron una gran influencia en la forma de pensar de Huygens, quien, en su obra “Traité de la lumière”, expuso una teoría ondulatoria que explicaba con acierto fenómenos ópticos como: la reflexión, la refracción y la doble refracción de la luz.

Sir Isaac Newton
Sir Isaac Newton

Pero fue contemporáneo de Newton, que había desarrollado una teoría diferente sobre el mismo asunto. Ambos mantuvieron frecuentes discusiones científicas y, como era de esperar, Huygens fue eclipsado por el prestigio de Newton. Durante más de un siglo, su teoría corpuscular fue mayoritariamente aceptada, a pesar de que difícilmente se podía explicar el fenómeno de la refracción con ella, pues requería que la luz ganase energía (fuera más rápida) al atravesar un medio más denso.

Thomas Young
Thomas Young

Ya en el siglo XIX, el Principio de Huygens sirvió para que Fresnel sumara la difracción de la luz a los demás fenómenos ópticos conocidos; para que Fraunhofer inventara la retícula de difracción, con la que revolucionó la espectroscopia; y para que Young, con su famoso experimento de la doble rendija, demostrara definitivamente que la naturaleza de la luz es ondulatoria, pues la longitud de onda podía ser calculada midiendo los patrones de luz monocromática que el fenómeno de interferencia mostraba en cada caso.

 

 

Augustin Fresnel
Augustin Fresnel

Aún así, seguía habiendo partidarios de la teoría corpuscular, como Poisson, que intentaron refutar el principio Huygens-Fresnel, sin embargo, en esta ocasión la disputa científica se resolvió en favor de la teoría ondulatoria, gracias a un experimento de difracción realizado por Arago, con quien Fresnel estudió las leyes sobre la interferencia de los rayos polarizados.

En este siglo, también se hicieron varios experimentos para intentar mejorar la estimación del valor de la velocidad de la luz que, en 1676, había realizado Rømer. Con este fin, Fizeau ideó un experimento que más tarde fue refinado por Foucault.

 

Ese valor fue deducido matemáticamente por Maxwell, de forma independiente, lo que fue clave para la unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica. Maxwell se valió de los trabajos experimentales de otros grandes, como Coulomb, Gauss, Ampere y Faraday; y de varios modelos teóricos surgidos por analogía entre las dinámicas del éter y los medios materiales fluidos, inspirados entre otros por Descartes, Thomson y Helmholtz. El descubrimiento de la naturaleza electromagnética de la luz hizo posible el desarrollo de las tecnologías actuales de emisión y detección de radiaciones en todo el amplio espectro de frecuencias.

Onda electromagnética
Onda electromagnética

 

Las famosas “ecuaciones de Maxwell” (en principio veinte, que él mismo redujo a trece) fueron revisadas posteriormente por Heaviside, en colaboración con Gibbs y Hertz, y reducidas a sólo cuatro. Paradójicamente, estas formulaciones de la electrodinámica (una teoría ondulatoria), que precisaron para ser creadas de la imagen mental de un éter dinámico y fluido, terminaron por hacer innecesario recurrir a esos modelos físicos y fueron sustituidos por la abstracción matemática.

 

Como viene a cuento, en este momento te invito a que hagas una pausa y leas estas dos entradas de mi blog:

¿Éter…existe el éter?

 ¿Y qué si existe el éter?

¿Seguimos?

 

Max Planck
Max Planck

La historia del fotón empieza cuando, en 1900, Max Planck descubre que la luz no es de naturaleza continua, sino que está dividida en porciones discretas, cuya energía se determina por el producto de su frecuencia por una constante, lo que le llevó a formular la “ley de Planck” que da explicación al espectro de emisión del “cuerpo negro” -hasta entonces, no habíamos podido llegar a entender por qué, al incrementar la temperatura de un cuerpo, éste no llegaba nunca a emitir luz en frecuencias iguales o superiores al ultravioleta-.

 

 

Albert Einstein
Albert Einstein

Después, Albert Einstein usó estos “cuantos de energía” para dar explicación a otro experimento  hasta entonces incomprendido, el del “efecto fotoeléctrico”. Esto, que apenas podría parecer un avance meramente anecdótico en la historia de la ciencia y que muchos tardaron en aceptar, supuso, junto a la Teoría de la Relatividad, una auténtica revolución del conocimiento de los procesos naturales en todas sus escalas. Desde entonces, el universo empezó a entenderse como un tejido espacio-temporal sometido al límite y a la constancia de la velocidad de la luz.

Algunos creyeron en la inecesariedad de postular la existencia de un éter para explicar la difusión de las radiaciones electromagnéticas en el vacío y empezó a cobrar nueva fuerza la teoría corpuscular de la luz. Aunque, en realidad, el propio Einstein siguió haciendo referencias al éter electromagnético y al éter gravitatorio mucho tiempo después y prefirió referirse a los “cuantos de luz” no como partículas materiales, sino como paquetes de energía dotados de momento lineal. Claro está que su famosa fórmula (E=m·c²), que establece que la energía y la masa de la materia son conceptos físicos intercambiables, les puso las cosas fáciles a los partidarios de la interpretación corpuscular de algunos experimentos con radiaciones.

 

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Arthur Compton
Peter Debye
Peter Debye

Así se explica que la energía de los fotones puedan ser absorbida completamente por los electrones, para ganar el impulso necesario para escapar de la atracción de los protones del núcleo atómico en la interpretación del efecto fotoeléctrico y, a la vez, también puedan actuar como proyectiles que rebotan contra los electrones, como postularon Comptom y Debye (de manera independiente) en la interpretación de otro experimento que resulta clave para establecer la naturaleza corpuscular del fotón, el del “efecto Comptom”.

 

Los cuantos de luz, como corpúsculos, estaban dando respuesta a fenómenos que la teoría ondulatoria no había podido explicar pero, si considerábamos la luz sólo como partículas, no se podía dar respuesta a aquellos que tenían un carácter típicamente ondulatorio. Por tanto, se impuso una solución salomónica: el fotón será una onda o un corpúsculo, en función del tipo de experimento que deseemos realizar.

 

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Y, aquí es donde mi amigo el “cuanto de luz” empieza a sentirse confuso. Ahora sabe que es un ente individual portador de energía, sin embargo, se siente vacío. Todas las mediciones consideran que su masa es igual a cero. Eso resulta contradictorio con la idea que él tiene de ser una partícula y se pregunta si es posible refutar, de algún modo, la interpretación actual sobre su supuesta naturaleza dual.

 

Imagen de Geralt
Imagen de Geralt

Como los amigos estamos para ayudar, ahí voy yo y escribo la “Teoría de Ruedas”, donde hago un retrato de cómo es el fotón y la manera que tiene de relacionarse con la materia.

Según esta teoría, la materia común está compuesta por combinaciones de estructuras tridimensionales de quarks llamadas “ruedas”. Éstas pueden ser de tres tipos, según su carga eléctrica: neutras, negativas o positivas (neutrinos, electrones o positrones). Sólo ellas son capaces de almacenar y aprovechar la energía que portan los fotones y sólo ellas son capaces de generar nuevos fotones.

 

la rueda
En amarillo, el “almacén fotónico” de la rueda

En cualquier caso, la imagen del fotón en esta teoría se muestra sin dualidades, como un ente inmaterial que no es portador de carga alguna, que tampoco tiene un carácter ondulatorio continuo y que, sin embargo, es capaz de transmitir su energía mediante inducción electromagnética. Los fotones serían: paquetes de pura energía cuantizada (en dosis concretas) que, cuando son capturados por las ruedas, éstas pueden aprovechar para incrementar su momento lineal en una cantidad equivalente, gracias a que ambos disponen de las cualidades precisas para que esto sea posible.

Una de las cualidades de los fotones que los hace únicamente accesibles a las ruedas es su forma. Debemos visualizarlos como perturbaciones toroidales del campo H, es decir, como anillos vorticiales semejantes a los descritos en el teorema hidrodinámico del vórtice de Helmholtz que, cuando se ponen en movimiento en un fluido perfecto, siguen girando sin detenerse ni dividirse nunca, llevando consigo la energía que los impulsó.

Inducción magnética en un vórtice toroidal, Imagen de HoferAnderl, vía Wikimedia Commons
Representación del momento magnético en un vórtice toroidal. Imagen de HoferAnderl, vía Wikimedia Commons

 

 

Si has leído mis posts sobre el éter, ya has podido comprobar que aquí achacamos la creación de campos eléctricos y magnéticos a las dinámicas rotacionales del campo H (una nueva forma de referirnos al éter). Por tanto, abandonamos la idea de que los fotones sean los responsables de la mediación en todos los fenómenos electromagnéticos. En el espacio pueden existir campos eléctricos y magnéticos, así como ondas gravitacionales, sin que sea necesaria la presencia de ningún fotón.

Esto es fácilmente comprobable con la experimentación, y es la primera forma que propongo para refutar la interpretación actual de algunos hechos. Los fotones se mueven en línea recta, podemos bloquearlos o reflejarlos fácilmente, pero no podemos aislarnos del campo H y nos cuesta mucho amortiguar sus dinámicas.  Aunque, pensándolo mejor, seguro que esto ya se les habrá ocurrido, hasta deben haber hecho ya algún experimento a tal efecto y, seguramente por eso, recurrieron a los “fotones virtuales” para explicar las interacciones de los campos eléctricos y magnéticos  sin que se les desmoronara el tinglado. ¡Madre mía, qué listos son! Pero, mi amigo, lo último que necesita ahora es que le hagan creer en fantasmas. Así que, vamos con otro asunto, el “efecto fotoeléctrico”.

Los partidarios de la teoría corpuscular intuyen este efecto como un choque entre partículas, donde una bolita (el fotón) choca con otra (el electrón) con la suficiente energía como para arrancar a la segunda fuera del átomo. Según esto, se puede calcular el ángulo de expulsión en función del ángulo de incidencia y la energía de la primera. ¿Han intentado comprobarlo con algún experimento diseñado ex profeso? Seguramente, la respuesta sea no -quede claro que en este momento no me estoy refiriendo al efecto Compton, del que hablaré más adelante-.

Interpretación errónea del efecto fotoeléctrico, ni la luz es una onda continua, ni  los ángulos de incidencia y de emisión se asemejan a una reflexión o a un choque elástico.

Bueno, pues aquí tenemos otra manera de refutar la teoría corpuscular y, a la vez, validar mi teoría. Pues, en este experimento los fotones serán capturados sólo por los electrones que se muevan en la misma dirección y en sentido contrario a ellos. La energía del fotón es almacenada en el interior del electrón (una rueda con carga negativa) incrementando con ello su  momento lineal. Si la energía ha sido la suficiente para escapar del átomo, el electrón saldrá claramente en la misma dirección y en sentido contrario al que tenía el fotón capturado.

 

También el núcleo, al perder la fuerza de atracción de uno de sus electrones, experimentará un retroceso en la misma dirección y sentido que llevaba el fotón. Este retroceso nuclear explica la llamada “presión lumínica”, efecto que se quiere aprovechar para impulsar naves espaciales con “velas solares”, que también se utiliza como argumento en favor de la interpretación corpuscular de la luz y que, con el resultado del experimento que propongo, quedará igualmente explicado sin necesidad de imaginar choques entre partículas.

 

Representación de la NanoSail-D, desarrollada con éxito por la NASA en enero de 2011. Imagen de NASA

Ya toca hablar del experimento de Compton. En este caso, lo primero que voy a hacer es remitiros a lo expuesto en mi libro (en este enlace). Pero ya os adelanto que la interpretación del efecto no es la mejor que se podía haber hecho, por poner un ejemplo, para que la observación cuadre con lo teorizado, ha de suponerse que los electrones, en el momento del choque con los fotones de alta energía, tienen que estar en reposo. ¿Alguien contempla la posibilidad de que un electrón de la corteza atómica pueda quedarse quietecito a esperar el impacto de un fotón?  ¡Yo no, desde luego!.

A este respecto, resulta especialmente esclarecedor el gran artículo “Einstein y el efecto Compton”, publicado en Scientiae Studia, cuyos autores son: Alejandro Cassini, Leonardo Levinas y Hernán Pringue. (Este es el enlace al artículo)

 


En este vídeo vemos una representación errónea del efecto

 

En las primeras mediciones del efecto, en 1922, Compton únicamente midió el ángulo y la energía de las radiaciones reemitidas. Pero en 1924 (junto con Simon) realizó otro experimento, esta vez en una cámara de niebla, que le permitía observar la trayectoria de los electrones. El resultado fue el esperado, aunque con un importante margen de error que fue obviado, pues lo que se buscaba era la confirmación de que la luz está compuesta de “cuantos de luz” con momento lineal, en competición con el experimento de Bothe y Geiger que trataba de contrastar la interpretación del mismo efecto, pero tomando como referente una teoría ondulatoria que propusieron Bohr, Kramer y Slater, cuyo resultado también sirvió para refutar el carácter continuo de las radiaciones electromagnéticas y, por tanto, para confirmar la cuantización de la luz.

 

 

Considero que la interpretación de este experimento puede hacerse sobre la base de lo expuesto para el efecto fotoeléctrico, con la peculiaridad de que los fotones de alta energía desbordan la capacidad de almacenamiento de los electrones que los intentan capturar, provocando cambios en sus trayectorias y en las de los fotones de menor energía reemitidos, en una cadena de sucesos cada vez menos energéticos. Por tanto, si planteamos nuevos experimentos donde podamos medir con mayor precisión, tanto la dirección y la energía de los fotones reemitidos, como la dirección y energía de los electrones expulsados de sus átomos, podremos refutar también la, ya de por sí, dudosa interpretación inicial del efecto.

 

También podemos confirmar las hipótesis contenidas en la Teoría de Ruedas, analizando y dando explicación a alguna de esas constataciones experimentales que todavía no se han podido explicar con ninguna teoría anterior.

Uno de esos “cabos sueltos” es la constatación de que, si bien la velocidad de la luz en el “vació” es la misma para todas las frecuencias, cuando ésta atraviesa un medio material de mayor densidad, la velocidad de propagación de cada frecuencia es distinta y resulta paradójico observar que las más energéticas atraviesan el medio con menor velocidad.

 

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Esto se debe a que los fotones no son bolitas que atraviesan un medio transparente aprovechando el inmenso espacio entre los núcleos de los átomos, muy al contrario, el fotón que llega a un medio material es inmediatamente absorbido por el primer electrón que se encuentre en su misma dirección y en sentido contrario. Cuando ese electrón vuelve a acercarse al núcleo atómico, atraído por sus cargas positivas, a su rebufo se estará formando un nuevo fotón, con una energía similar al capturado previamente, que será reemitido en el instante en que el electrón rebote sobre un protón. La cadena de capturas y reemisiones es lo que retrasa el tiempo de recorrido en el medio material. Pues bien, resulta que los fotones más energéticos hacen que el electrón que les de caza se aleje más del núcleo atómico, por tanto, tardará más en volver a ser atraído hacia el núcleo y también tardará más en formarse un fotón a rebufo del electrón, por supuesto, esto le permite al nuevo fotón ser tan energético como el que fue capturado, pero eso retrasa más a éstos que a los que portan menor energía.

 

Foton tras electrón

 

Puedes leer sobre fotón en mi libro, en el apartado dedicado a él de la tercera fase de la evolución de la materia y en los anexos del final, donde amplío hipótesis sobre su geometría y dinámica.

 

 

Una prueba de que los fotones reemitidos se crean a rebufo de los electrones cuando son atraídos por la fuerza electrostática del núcleo atómico, es la existencia de un fenómeno análogo llamado “la Bremsstrahlung” o “radiación de frenado”, también conocido como “efecto fotoeléctrico inverso” y que consiste en que los electrones libres emiten radiación al ser frenados por la materia.

 

Otro “cabo suelto” es la explicación del funcionamiento del radiómetro de Crookes. Aquí también pongo un enlace al libro, donde doy todas las explicaciones sobre este asunto.

 

Radiómetro de Crookes
Radiómetro de Crookes

Por otro lado, en septiembre se ha divulgado la observación por parte del equipo de Howard Milchberg (de la Universidad de Maryland), de un nuevo fenómeno óptico, esto es: alrededor de pulsos de luz de autoenfoque de alta intensidad, se forman anillos de vórtices de fotones (STOV), que no afectan a su polarización pero si conllevan un cierto desfase. Segun Milchberg: “es como un anillo de humo que se mueve a la velocidad de la luz”. Como siempre, aquí os dejo un enlace al artículo.

 

Un anillo se crea alrededor de la cintura de un pulso de luz que se propaga a lo largo de una trayectoria óptica. La luz que rodea la STOV (no se muestra para mayor claridad). Imagen de: N. Jhajj / HM Milchberg / Univ. de Maryland
Un anillo se crea alrededor de la cintura de un pulso de luz que se propaga a lo largo de una trayectoria óptica. La luz que rodea la STOV (no se muestra para mayor claridad). Imagen de: N. Jhajj / HM Milchberg / Univ. de Maryland

A mi juicio, podría tratarse de una nueva manifestación tridimensional del fenómeno de interferencia que reproduce, a gran escala, la forma en que los fotones individuales, que constituyen el haz de luz monocromática, inducen el movimiento de los bosones en el interior de las ruedas. Podríamos salir de dudas haciendo simulaciones en supuestos donde las dinámicas de los fotones se consideren como vengo diciendo, como anillos vorticiales de éter. Tal vez, así se obtengan nuevas pruebas en favor de la Teoría de Ruedas. ¿Quién sabe?

 

Y, para finalizar os voy a presentar a un primo de mi amigo el “cuanto de luz”, que no está formado por bosones de Higg, sino por gas, y que muestra cómo la energía de un vórtice toroidal se puede transmitir a bastante distancia, a pesar de que el aire es un medio compresible y, por tanto, menos eficaz.

 

 

¡Ya se que me he extendido un montón y por eso os pido disculpas, pero… Por un amigo, lo que sea!

 

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