Louis de Broglie, el último pionero cuántico
Albert Einstein dijo que lo que había mirado antes como onda (la luz) era también como partícula (el fotón). De Broglie inferió que lo que antes se tomaba como partícula (electrón) tenía que ser visto ahora también como onda. Enseguida, el dualismo onda/parícula entró en toda la nueva física.
Aunque el descubrimiento parece muy común, ha llegado hasta los restos del problema. Si las ondas de la luz actúan como partículas, pensó ¿por qué los electrones no actúan como ondas? Si hubiera quedado en ello, no hubiera sido recordado como uno de los fundadores de la teoría cuántica y no hubiera recibido el Premio Nobel (1929). Como especulación, la idea no tiene mucho peso y antes en 1912 se hicieron especulaciones similares sobre los rayos X. Entonces William H. El gran físico Braggs afirmó sobre la física de los rayos X que, con mi imagen, el problema no surge al tener que elegir entre dos teorías sobre los rayos X, sino al encontrar una teoría que tuviera la capacidad de ambas.
El mayor logro de De Broglie fue la formulación matemática del dualismo onda/partícula. Describió el comportamiento de la materia y propuso métodos para su detección. Tuvo la gran ventaja de ser el miembro más joven de un grupo de físicos. Su hermano mayor, Maurice, era físico y dirigió a la investigación. Según Louis De Broglie más adelante, Maurice en sus conversaciones con él destacaba la importancia de la realidad innegable de la parte dual de las ondas y las partículas. Llegó la hora de esta idea y Louis de Broglie tuvo la fortuna de vivir cuando había una pieza común madura que cambiaría la física teórica.
Funcionando pero...
De Broglie nació en 1892. Aunque la tradición de su familia le empujaba a funcionar, cuando en 1910 empezó en la Universidad de París, se interesó fuertemente por la ciencia, sobre todo la mecánica cuántica. Su hermano, 17 años mayor, le abrió la ventana a este mundo. Además, Maurice, que obtuvo el título de doctor en 1908, fue uno de los secretarios científicos del primer congreso de Solvay y pasó información al respecto a Louis. Pero dos años después, 1913, sus estudios físicos se interrumpieron. En un principio a corto plazo, pero durante la Primera Guerra Mundial, su servicio militar se prolongó hasta 1919.
Terminada la guerra de Brolglie volvió a estudiar teoría cuántica y empezó a trabajar en las líneas que le llevaron a descubrir la unidad que se encontraba bajo las terorias de partículas y ondas. La explosión tuvo lugar en 1923, cuando publicó tres artículos sobre la naturaleza de los cuánticos de luz en la revista francesa Comptes Rendus, y después en la Philosophical Magazine de principios de 1924 se publicó un resumen en inglés. Estas breves aportaciones no tuvieron gran impacto, pero de Broglie reordena sus ideas y las presenta más completas para su tesis doctoral. En noviembre de 1924 lee en la Sorbona y a principios de 1925 se publica en la revista Annales de Physique. De este modo, la base de su trabajo se aclara y se convierte en uno de los mayores avances de la física en la década de 1920.
El núcleo de las ideas
Para los cuánticos de luz, De Broglie comienza a operar a partir de dos ecuaciones derivadas por Einstein:
E=h ; p=h /c
En estas dos ecuaciones las propiedades correspondientes a las partículas (energía y momento) aparecen a la izquierda y las correspondientes a las ondas (frecuencia) a la derecha. Según De Broglie, la conducta en la que fallaban los intentos de resolver si la luz es onda o partícula se debe a que ambas formas están estrechamente relacionadas. Para medir la propiedad momento de una partícula también debes conocer su propiedad de frecuencia. Esta dualidad no es exclusiva de los fotones. En aquella época se consideraba que los electrones eran partículas de comportamiento, aunque dentro de los átomos los niveles energéticos se llenaban de forma curiosa. Pero de Broglie se dio cuenta de que si los electrones sólo existen en las órbitas definidas numéricamente, esto define de alguna manera una propiedad de onda. Los únicos fenómenos que requieren números enteros dentro de la física son los modos de vibración más normales e interferentes en su tesis. Este hecho me animó a no mirar a mis electrones como meros corpúsculos, sino que tenían que asignarles periodicidad.
De Broglie creía que las ondas estaban asociadas con partículas y sugirió que una partícula como el fotón lleva su camino porque tiene una onda asociada. La partícula está asociada a la onda. El resultado era una descripción matemática precisa del comportamiento de la luz que utilizaba evidencias de ensayos con ondas y partículas. Los estudiosos que estudiaron la tesis de De Broglie tuvieron ganas de matemáticas, pero creían que la idea de partícula asociada a una partícula no tenía significado físico, sino que era una curiosidad de las matemáticas. Cuando uno de los examinadores le preguntó qué intento podía llevarse a cabo para detectar las ondas de la materia, respondió a la difracción de un haz de electrones ocurrido en un cristal. La sesión es como la difracción de luz que se realiza a través de unas rendijas. Los átomos de un cristal regularmente espaciado forman ranuras bastante estrechas para difractar los electrones de alta frecuencia (longitud de onda corta).
La nueva idea se va consolidando
Según sus cálculos, de Broglie sabía a qué longitud de onda debía mirar, pero no sabía que los fenómenos que podían explicarse adecuadamente con las difracción de los electrones ya eran conocidos en 1914. Estos fenómenos tuvieron lugar cuando se utilizaron los electrones para probar los cristales. En una época en la que De Broglie estaba formulando sus ideas, 1922-23, dos físicos americanos, Clinton Davisson et Charles Kunsman, estudiaban los hechos conocidos como efectos Ramsauer. Al no tener conocimiento de ello, de Broglie actuaba empujando a ensayar la hipótesis onda/partícula. Mientras tanto, el director de la tesis de Broglie, Paul Langevin, envió a Einstein una copia de su trabajo. Einstein vio en su tesis algo más que una curiosidad matemática y descubrió lo que las ondas de la materia debían ser reales. Einstein pasó las noticias a Max Born, que estaba en Göttingen. James Franck, jefe del departamento de física local, afirmó que las sesiones de Davisson ya habían probado el efecto.
Davisson y Kunsman, como muchos otros físicos, creían que el efecto Ramsauer era producido por la estructura de los átomos bombardeados y no por la naturaleza de los electrones. Walter Elsass, alumno de Born, publicó una breve nota explicando estas sesiones en términos de ondas electrónicas en 1925, pero los investigadores no impresionaron cuando sus datos fueron reinterpretados por un teórico, sobre todo cuando el teórico era un alumno desconocido de 21 años.
En 1925, aunque existiera evidencia experimental, la idea de las ondas materi no era más que algo nublado. Sólo cuando Erwin Schrödinger planteó una nueva estructura etómica utilizando la idea de Broglie surgió el deseo de ensayar la difracción de electrones. Cuando estas sesiones se celebraron en 1927, demostraron que De Broglie funcionaba correctamente (las redes cristalinas difractan los electrones como si fueran ondas). El descubrimiento fue realizado de forma independiente por dos equipos: Davisson y su nuevo compañero Lester Germer en los EEUU, por un lado, y George Thomson (hijo de J.J.) y el alumno Alexander Reid por otro en Gran Bretaña. Ambos grupos utilizaron diferentes técnicas. La evidencia experimental del dualismo onda/partícula de Broglie desde 1928 es ineludible.
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