El fascinante hallazgo que cambió nuestra comprensión de la luz y ayudó a sentar las bases de la mecánica cuántica

A comienzos del siglo XX, la física había logrado explicar muchos aspectos de la naturaleza, pero había algo que no cerraba: algunos fenómenos que se observaban no se comportaban siguiendo las reglas de esta disciplina científica. Esto ocurría, en particular, cuando se quería estudiar la naturaleza a escala pequeña.

Y es que, como empezaron a darse cuenta los expertos, el mundo a nivel atómico y subatómico funciona con reglas distintas a las que gobiernan al mundo visible. Fue así como empezó a surgir un nuevo campo de la física: la mecánica cuántica, que explica cómo funcionan e interactúan los objetos extremadamente pequeños.

La mecánica cuántica, que dio pie a la física moderna, se desarrolló a partir de un hallazgo -muy controvertido en la época- que terminaría revolucionando la ciencia. Y es que algunos objetos o fenómenos tienen simultáneamente las características de partículas (es decir, de pequeños trozos de materia) y de ondas (una perturbación o variación que transfiere energía). Los físicos lo llaman la “dualidad onda-partícula”.

Si bien fueron varios los científicos que propusieron esta teoría, fue Arthur Compton, un físico estadounidense, el primero que logró demostrarlo, en un famoso experimento que realizó en 1923.

Tras los pasos de Einstein y Planck

En el año 1900 existía un consenso absoluto de que la luz tenía naturaleza ondulatoria, algo que se había logrado demostrar con certeza. Pero, algunos empezaron a cuestionar esa verdad establecida.

El primero en hacerlo fue el físico alemán Max Planck, quien planteó que -lejos de ser un flujo constante- la luz viajaba en “paquetes” de una gran “cuantía” de energía. Llamó a esos pequeños paquetes discontinuos de energía “cuantos energéticos”, concepto de donde luego derivaría el nombre de la física cuántica.

Planck eventualmente ganaría un Nobel, en 1918, por el papel que jugó “en el avance de la física con el descubrimiento de la teoría cuántica”. Sin embargo, el científico alemán no llegó a darse cuenta -o no se atrevió a proponer- que la luz se comportaba como una partícula.

El que propuso es osada teoría fue un físico alemán aún más famoso que Planck: Albert Einstein.

En 1905, Einstein aplicó la idea de Planck al efecto fotoeléctrico, al proponer que la luz podía comportarse como un conjunto de partículas. Einstein llamó “cuantos de luz” a estas partículas, que posteriormente pasaron a conocerse como “fotones”. Fue por esta investigación -y no por la teoría de la relatividad, como muchos creen- que Einstein ganó el premio Nobel de Física en 1921.

Pero, incluso Einstein no logró comprobar que la luz está formada tanto por partículas como por ondas. Fue Arthur Compton el primero en lograr ese hito, en 1923, revelando la naturaleza partícula de la radiación electromagnética.

El efecto Compton

Inspirado por las teorías de Planck y Einstein, Compton se propuso realizar un experimento que cambiaría completamente lo que sabemos sobre la naturaleza de la luz. Decidió investigar la dispersión de los rayos X al interactuar con electrones, un fenómeno que implica el cambio en la dirección de propagación de una onda electromagnética al interactuar con un medio, algo que revela información valiosa sobre las propiedades del material.

“Compton llevó a cabo un ingenioso experimento en el que bombardeó cristales con rayos X y analizó los cambios en la longitud de onda de la radiación dispersada”, explica en un reciente artículo en la revista Muy Interesante el físico, escritor y divulgador científico Eugenio M. Fernández Aguilar.

El efecto Compton “se refiere al cambio en la dirección de los fotones después de interactuar con electrones”, señala. “Cuando los rayos X inciden sobre un material, algunos fotones dispersados presentan longitudes de onda mayores que las esperadas según las leyes clásicas.

“Arthur Compton explicó este fenómeno al proponer que los fotones, actuando como partículas, chocan con electrones libres del material, proceso en el cual transfieren parte de su energía a la par que cambian de dirección. La pérdida de energía se traduce en un aumento de la longitud de onda de los fotones”.

El descubrimiento del efecto Compton “contribuyó significativamente a la consolidación de la teoría cuántica”, afirma Fernández Aguilar.

Apenas un año después, en 1924, el físico francés Louis de Broglie terminó de darle forma a la teoría planteando que si la luz, que era una onda, tenía comportamiento de partícula bajo ciertas condiciones, entonces partículas como el electrón también cumplían con esa dualidad. Así se terminó de formular la dualidad onda-partícula, que provocaría una revolución en el conocimiento.

El hallazgo del físico estadounidense -bautizado el “efecto Compton”- le hizo ganar el Premio Nobel de Física en 1927.

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