La luz como onda y como partícula

La luz puede considerarse formada por partículas (los fotones) o por ondas (el campo electromagnético). En realidad, la luz se suele observar como partícula o como onda, dependiendo de qué es lo que se mide, si fotones o interferencias. Ahora, por primera vez, unos investigadores han hecho un experimento que relaciona el aspecto partícula de la luz con el aspecto onda. Han detectado fotones de una fuente de luz y han medido al mismo tiempo el campo electromagnético asociado. Para ello han tenido que diseñar un aparato que funciona en el reino de la mecánica cuántica.

Cuando se intenta medir el campo electromagnético (el aspecto de onda de la luz) de un fotón, que es la partícula de la luz, se plantea una gran dificultad, puesto que el fotón es un cuanto (un paquete) de energía electromagnética, explican los investigadores de la Universidad de Nueva York en Stony Brook y de la Universidad de Oregón. Además, ¿cómo saber cuándo va a aparecer un fotón para poder medirlo? El problema no era sencillo de resolver, pero los investigadores lo han logrado con un nuevo aparato, que han denominado correlacionador onda-partícula. Aunque la discusión sobre la naturaleza de la luz en la época moderna data de los tiempos de Newton, fue hace 100 años, con el nacimiento de la mecánica cuántica, cuando la dualidad partícula-onda de la luz surgió con toda su fuerza. A lo largo de este tiempo se han ido conociendo los aspectos de partícula y de onda de la luz. Ambos están presentes en la descripción de la realidad que hace la física moderna, con sus fluctuaciones e incertidumbres inherentes.

El método utilizado por los investigadores es complicado, y también es complicado de explicar. Se trata de una fuente de luz muy débil; en este caso, un rayo de átomos de rubidio que pasan entre dos espejos altamente reflectantes (una cavidad QED). Un láser se apunta a uno de los espejos. La cavidad así excitada absorbe la luz y la reemite. Un fotón se escapa ocasionalmente de la cavidad hacia un espejo y se detecta como partícula en un fotodiodo. Le suele seguir un segundo fotón, y la detección del primero dispara la medida de las propiedades de onda del segundo. En realidad, se miden interferencias, cuyo patrón sólo aparece después de muchas de estas medidas, condicionadas por la detección de cada fotón.Cualquier interferencia indica características de los campos electromagnéticos que las producen, y es así como se llega a medir el campo electromagnético de los fotones de esta fuente de luz, aprovechando el estado cuántico inducido en la fuente por la detección de cada fotón que se escapa.

Según Luis Orozco, de la Universidad de Nueva York, uno de los investigadores que han hecho el experimento y lo han publicado en Physical Review Letters (9 de octubre), "el método utilizado, la medición condicionada, es lo que nos ha permitido saber cuándo y cómo está el fotón". El experimento puede resultar además importante en dos aspectos, resalta este investigador mexicano: "Abre la puerta a la posibilidad de preparar y estudiar estados cuánticos y también permite pensar en mejoras en la ciencia de imágenes , ya que tradicionalmente se hace con intensidades y se pierde la información de la fase, mientras que con nuestro método se conserva esa información".