El principio de complementariedad

Experientia docet Cuantos Artículo 11 de 13

Foto: Leonardo Yip / Unsplash

La mecánica cuántica se fundó sobre la existencia de la dualidad onda-corpúsculo de la luz y la materia, y el enorme éxito de la mecánica cuántica, incluida la interpretación de probabilidad, parece reforzar la importancia de esta dualidad. Pero, ¿cómo puede considerarse un corpúsculo como que «realmente» tenga propiedades de onda? ¿Y cómo puede pensarse que una onda tenga «realmente» propiedades de corpúsculo?

Se podría construir una mecánica cuántica consistente sobre la idea de que un haz de luz o un electrón pueden describirse simultáneamente por los conceptos incompatibles de onda y corpúsculo. En 1927, sin mebargo, Niels Bohr se percató de que precisamente la palabra «simultáneamente» era la clave para mantener la coherencia. Se dio cuenta de que nuestros modelos, o imágenes, de la materia y la luz se basan en su comportamiento en distintos experimentos en nuestros laboratorios. En algunos experimentos, como el efecto fotoeléctrico o el efecto Compton, la luz se comporta como si constara de partículas; en otros experimentos, como el experimento de doble rendija, la luz se comporta como si estuviera formada por ondas. Del mismo modo, en experimentos como el de J.J. Thomson con los rayos catódicos, los electrones se comportan como si fueran partículas; en otros experimentos, como los estudios de difracción de su hijo G.P. Thomson, los electrones se comportan como si fueran ondas. Pero la luz y los electrones nunca se comportan simultáneamente como si estuviesen constituidos por partículas y ondas. En cada experimento específico se comportan como corpúsculos o como ondas, pero nunca como ambos.

Esto le sugirió a Bohr que las descripciones corpusculares y ondulatorias de la luz y de la materia son ambas necesarias aunque sean lógicamente incompatibles entre sí. Deben considerarse como «complementarias» entre sí, es decir, como dos caras diferentes de la misma moneda. Esto llevó a Bohr a formular lo que se llama el principio de complementariedad:

Los dos modelos, corpuscular y ondulatorio, son necesarios para una descripción completa de la materia y de la radiación electromagnética. Dado que estos dos modelos son mutuamente excluyentes, no se pueden usar simultáneamente. Cada experimento, o el experimentador que diseña el experimento, selecciona una u otra descripción como la descripción adecuada para ese experimento.

Bohr demostró que este principio es una consecuencia fundamental de la mecánica cuántica. Afrontó la cuestión de la dualidad onda-corpúsculo, no resolviéndola a favor de ondas o partículas, sino incorporándola en los cimientos mismos de la física cuántica. Al igual que hizo con su modelo de átomo, Bohr transformó una dificultad en la base del sistema, a pesar de que esto supusiese contradecir la física clásica.

Es importante comprender qué significa realmente el principio de complementariedad. Al aceptar la dualidad onda-corpúsculo como un hecho de la naturaleza, Bohr lo que afirmaba es que la luz y los electrones (u otros objetos) tienen potencialmente las propiedades de las partículas y las ondas, hasta que se observan, momento en el que se comportan como si fueran una cosa u otra, dependiendo del experimento y la elección del experimentador. Esta era una afirmación de una enorme importancia, porque significaba que lo que observamos en nuestros experimentos no es lo que la naturaleza realmente es cuando no la estamos observando.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

12 comentarios

  • Avatar de JOSE G.

    Excelente. Gracias, interesante.

    Tengo los conocimientos básicos de física que deja una carrera de ingeniería.

    Por el tipo de experimentos que se asocian a uno y otro comportamiento (partículas, ondas) no se trata más bien de comportamientos asociados al estado de movimiento libre de la luz (onda) o a movimiento cambiante con transferencia de energía (partículas)?

    Es decir, no se trata más bien de que la luz se comporta como onda cuando viaja libremente y se comporta como partícula al momento de interactuar con materia?

    Gracias y disculpas si pregunto absurdos o verdades de Perogrullo,

  • Avatar de Pedro F.

    Desde mi más absoluta ignorancia, ¿no es que las partículas giran sobre sí mismas a una determinada frecuencia a la vez que se desplazan?

  • Avatar de Principiante

    Me fascina la parte teórica o filosófica (si la tiene) de la física cuántica, sobretodo porque siempre me he preguntado qué es la materia, de qué está hecha. Con la partícula de Higgs se resuelve algo, pero sigo sintiendo que falta algo. Las preguntas que me hago no sé si tendrán relación con la física cuántica; ¿dónde se almacenan los pensamientos a nivel cuántico? ¿Qué son? ¿por qué no traspasan la barrera de las neuronas? ¿por qué se necesita menos energía para transformar la materia en luz, que luz en materia? En fin, no sé, no soy una erudita , y no sé si son preguntas tontas o no.

  • […] El principio de complementariedad de Bohr es una afirmación de una enorme importancia, porque significaba que lo que observamos en nuestros experimentos no es lo que la naturaleza realmente escuando no la estamos observando. Pero ahondemos sobre esto, porque la afirmación choca con el sentido común [1], lo que puede hacer más difícil asimilar lo que aquí se está diciendo [2]. […]

  • Avatar de Teresa

    Hola, he buscado mucho sobre este principio y en otros sitios hacen referencia a que es una generalización que hizo Bohr del principio de incertidumbre y que la incertidumbre que existe entre posición y cantidad de movimiento se puede dar entre otras magnitudes, hay alguna vinculación entre estas dos explicaciones de este principio de complementariedad?

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