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Radiación, y la dualidad onda-corpúsculo

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En la redacción de Xataka Ciencia hemos recibido un mensaje de Álex Velasco pidiéndonos que hablemos sobre la radiación, palabra que en los últimos tiempos escuchamos a diestro y siniestro por la televisión, en referencia a lo que está pasando en Fukushima. Voy a intentar contentarle, aunque procuraré hablar en general, no centrándome únicamente en la radiación de origen nuclear.

Bien. Radiación. Como ocurre con muchos términos científicos, el uso variopinto que le damos en en lenguaje cotidiano no es la más adecuada desde el punto de vista físico. Y si nos metemos en la ciencia ficción, ya ni te cuento.

Empecemos por ver que dice la Real Academia Española. Nunca he sido partidario de mirar el diccionario para este tipo de cosas, no es que sea la fuente más rigurosa para comprender la terminología científica. Sin embargo, por esta vez no se alejan demasiado de una definición más o menos aceptable. Según los académicos, radiación es:

1. f. Fís. Acción y efecto de irradiar.

2. f. Fís. Energía ondulatoria o partículas materiales que se propagan a través del espacio.

3. f. Fís. Forma de propagarse la energía o las partículas.

La primera acepción podría estar bien, sino fuera porque una de las acepciones del verbo irradiar es «someter algo a una radiación», con lo que tenemos una definición circular.

Las otras dos acepciones más o menos son equivalentes entre sí. Aunque tienen algún detalle feo: ¿energía o partículas? ¿Es que las partículas no pueden tener energía?

Otrosí, alguien con cierto gusto por el conocimiento científico, ni que sea a nivel divulgativo, probablemente estará familiarizado con la más que famosa dualidad entre ondas y corpúsculos. Y es posible que al leer la expresión «energía ondulatoria o partículas materiales» se pregunte porqué la RAE utiliza la conjunción disyuntiva, como si ambos conceptos fueran mutuamente excluyentes.

Y con esto llegamos al quid de la cuestión. O, por lo menos, a uno de los… ¿quides?. La distinción entre onda, energía y partícula es vital en este asunto. O mejor dicho, la no distinción entre ambos términos.

Control de radiación

No quiero extenderme con la dualidad entre ondas y partículas (aunque seguramente sí me extenderé), ni con el concepto de energía. Dejo los detalles para una posible columna futura, si os interesa el tema. Daré sólo un breve resumen. Empecemos por recordar qué es una onda (doy por supuesto que todos entendemos someramente qué es una partícula).

Una onda suele entenderse como el movimiento coordinado de diferentes entes físicos distribuidos a lo largo de una distancia. Dicho movimiento no es simultáneo, sino que el primero de los entes empieza a moverse (obligado por una influencia externa; sino estaría quietecito). El movimiento de este primer elemento arrastra al segundo, que imita la misma trayectoria con algo de retraso. Y el segundo arrastra al tercero.

¿A qué me refiero con ente físico? Pueden ser varias cosas. Por ejemplo, trozos de materia (partículas, esencialmente). El ejemplo clásico es una cuerda de piano. Apretando la tecla correspondiente, un mazo golpea un punto de la cuerda, obligándolo a que se, oscilando. Esta oscilación arrastra a los trozos de cuerda de al rededor. Este es el tipo de onda más cotidiano: las ondas mecánicas.

Pero no es la única posibilidad. No todas las ondas se corresponden con el movimiento de materia o partículas. Por ejemplo, en una onda electromagnética, el ente físico que oscila es el propio campo electromagnético. El campo electromagnético tiene un valor en cada punto del espacio.

Pues bien, en una onda, ese valor cambia con el tiempo oscilando. La oscilación de un punto se transmite al contiguo. Es lo mismo que antes, pero lo que oscila es un concepto abstracto, no una partícula física que podemos “ver y tocar” (entre comillas, porque la mayoría de partículas son demasiado pequeñas para eso, pero supongo que entendéis la idea).

Como veis, en una onda hay transmisión del movimiento entre dos puntos, pero no hay ningún objeto que recorra la distancia entera. Por ejemplo, es muy fácil crear una onda levantando el extremo de una sábana. Vemos la onda, como se propaga hasta el otro extremo, pero obviamente la tela en si queda en el mismo sitio después.

Viene a ser la misma idea que las típicas cadenas humanas que se forman para llevar pesos rápidamente entre dos puntos. No ha habido desplazamiento neto de materia, pero sí de energía. Todo lo contrario que ocurre en el movimiento de una partícula, en que es la propia partícula la que se traslada como una sóla unidad.

Ejemplo de uso médico de la radiación

En definitiva, ondas y partículas parecen conceptos completamente antagónicos. Por eso sorprendió tanto descubrir que eran dos caras de la misma moneda. En muy resumidas cuentas, se observó que el mismo fenómeno físico (la luz, pero las conclusiones son aplicables a todo lo que existe) en ocasiones se comportaba como partícula y otras como onda.

Una de las confusiones más habituales sobre este tema es decir que la luz es a la vez una onda y una partícula. De hecho, está más cerca de decir que la luz no es ninguna de las dos cosas, sino algo diferente que según se mire se parece a una onda o a una partícula.

En realidad, lo que ocurre es que tenemos dos formas de describir el mismo fenómeno, dos modelos. Podemos utilizar cualquiera de las dos teorías, la que queramos. Y, si queremos, podemos traducir de una teoría a otra. Pero lo que no podemos hacer es mezclar ambas teorías.

En algunos casos, una de las dos teorías será mucho más sencilla de aplicar a cierto caso particular. Por eso nos parecía que la luz (y todo lo que existe) a veces se comportaba de una forma o de la otra.

Si me permitís la comparación cutre, es similar a tener dos idiomas diferentes. Podemos decir cualquier frase en el idioma que elijamos, y podemos traducir de uno a otro. Pero lo que no podemos hacer es mezclar palabras de dos idiomas (aunque en la vida real lo hacemos a menudo, pero eso es otra historia).

Aviso de peligro por radiación electromagnética

Volviendo al tema que nos ocupa… entonces, ¿qué demonios es una radiación? Pues, como hemos dicho, podemos estudiarla como si fueran partículas o como si fueran ondas.

Por lo tanto, cualquier radiación que exista puede ser estudiada como una onda o como una partícula. Pero eso es lo mismo que con cualquier otro objeto físico que exista. O sea que, tomándonos a rajatabla la definición anterior, cualquier ente físico que exista puede ser considerado radiación.

Repito. Si nos tomamos el pie de la letra la definición «energía ondulatoria o partículas materiales que se propagan a través del espacio» todo puede ser considerado radiación. Eso nos incluye a ti y a mi. Y al planeta Tierra en su conjunto.

Obviamente, que todo sea radiación es ridículo. A la práctica, lo que nosotros llamamos radiación recibe el nombre por motivos históricos, que tienen que ver con el contexto en que fueron descubiertas; normalmente mucho antes de que se formulara la hipótesis sobre la dualidad.

De hecho, debido a esto se dieron algunos casos curioso que el mismo objeto físico fuera descubierto dos veces, como onda y como partícula; y no nos diéramos cuenta que eran lo mismo hasta tiempo más adelante.

Por norma general (no 100% estricta), se llama radiación a subproductos secundarios que aparecen como resultado de un proceso físico. Por lo general, son partículas ligeras que transportan la energía que se pierde en el proceso. Pero este es un criterio básicamente arbitrario, debido a la forma en que se desarrolló la ciencia.

Por si sola, la palabra radiación no significa nada. Simplemente se refiere a una transmisión de energía, que se puede estudiar bien como una partícula individual que la transporta, o bien como un movimiento colectivo coordinado que llamamos onda.

Para que signifique algo, debemos especificar a la partícula (o, equivalentemente, la onda). Por ejemplo, lo que llamamos radiación gamma (que no es más que luz en el ultravioleta lejano), también se puede estudiar como la partícula fotón. Los rayos beta se pueden estudiar como electrones (o positrones), mientras que la radiación alfa está compuesta por núcleos ionizados de helio. La práctica mayoría de ocasiones en que hablamos de radiación en la vida cotidiana nos referimos a uno de estos tres ejemplos.

Fotos | Wonderferret, Dvidshub, IndyDina, Ernst Moeksis

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