La importancia de la física cuántica en nuestras disciplinas

LA FÍSICA CUANTICA:

Trabajo elaborado en base al artículo de Sidney Perkowitz, profesor emérito de Física en la Universidad Emory (Atlanta, Georgia). Algunos de sus  libros son Slow Light y Hollywood Chemistry.

Introducción:

Convivir con la Física Cuántica:

No podemos observarlos directamente, pero el comportamiento de átomos, quarks, fotones y todo aquello que compone la realidad a una escala nanométrica o menor confirma que aún no sabemos gran cosa del universo. La teoría cuántica  –que describe estas diminutas partículas– dejó de ser una rareza antes confinada al laboratorio; ahora invade nuestras vidas y se encuentra en el teléfono inteligente que llevamos en nuestro bolsillo, y hasta en el número de la tarjeta de crédito que usamos para comprar por internet. La “cuántica” aparece cada vez más en términos como “sanación cuántica” y “políticas cuánticas”. Cuántico se ha convertido en una palabra de moda. Cualquier relevancia científica en estos usos es puramente accidental; sin embargo, esto ilustra que lo “cuántico” posee una mística más allá de lo científico.

A pesar de que la mecánica cuántica surgió para resolver un problema científico, más de un siglo después aún guarda algo de misterio. La física cuántica predice comportamientos paradójicos o increíbles. Por ejemplo, una partícula cuántica no posee solo un valor de una cantidad física, sino todos los valores al mismo tiempo, algo que se llama superposición; dos partículas cuánticas pueden permanecer ligadas o “entrelazadas”, aun a distancias ilimitadas y sin ninguna conexión física de por medio; y se pueden teletransportar a través del espacio vacío.

Los saltos cuánticos pueden encontrarse en tu bar favorito y en el supermercado local

En 2011, el físico austríaco Anton Zeilinger aplicó un cuestionario con 16 preguntas de opción múltiple a más de 30 especialistas en teoría cuántica, acerca de sus conceptos básicos y su interpretación. Ninguna de las posibles respuestas recibió apoyo unánime, pues muchas de las preguntas provocaron un amplio rango de opiniones. Según el investigador Charles Clark, codirector del Joint Quantum Institute en la Universidad de Maryland, sería “un gran tema ubicar dónde está el problema” que hace que la teoría cuántica sea tan difícil de interpretar. En parte, esto se debe a que es muy abstracta, por el motivo de la pequeñez de lo que describe. Cuando pateamos un balón, obtenemos conocimiento empírico de cómo funciona el mundo a una escala humana. Pero no podemos patear un quark o aventar un fotón; solo podemos describir estas partículas con ayuda de la teoría cuántica.

Comprendiendo la Física Cuántica

Relatividad y Mecánica Cuántica

La física del siglo XX se sustenta sobre dos pilares: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. La primera obra casi exclusiva de Albert Einstein, describe los fenómenos naturales en los que están involucradas velocidades cercanas a la de la luz. La segunda, en cuya formulación participó una pléyade de grandes físicos de principios del siglo XX, es la mecánica del mundo de los átomos y las partículas que los constituyen.

Así como la teoría de la relatividad introdujo conceptos que chocaron con el sentido común, la mecánica cuántica expuso una descripción del mundo microscópico que en nada se parecía al de la experiencia diaria. De acuerdo con la mecánica cuántica, las partículas atómicas no se comportan como los objetos del mundo macroscópico, sino que tienen propiedades a la vez de partículas y de ondas.
Ya conocemos una partícula con esta característica: el fotón, que a veces se manifiesta como onda y a veces como partícula. Esta es una propiedad de todas las partículas elementales, electrones, protones, neutrones, etc. que constituyen los átomos, por lo que los fenómenos en ese nivel se producen de acuerdo a leyes muy peculiares. Por principio de cuentas, es imposible caracterizar una partícula elemental por su posición y su velocidad, tal como ocurre en la física newtoniana. Al contrario, en la mecánica cuántica sólo se puede calcular la probabilidad de encontrar una partícula en cierto estado físico. Tal probabilidad se obtiene a partir de una expresión matemática, la función de onda.

En la mecánica newtoniana se calcula la posición y la velocidad de una partícula a partir de ecuaciones matemáticas, que relacionan el movimiento de la partícula con la fuerza que se le aplica de acuerdo con la segunda ley de Newton (fuerza = masa x aceleración).

En cambio, en la mecánica cuántica se calcula la probabilidad de encontrar una partícula en cierto estado físico, utilizando ecuaciones matemáticas, en particular la ecuación deducida por el físico alemán Erwin Schrödinger en 1926, que relaciona la función de onda de la partícula con la fuerza aplicada sobre ella.

Gracias a esta ecuación, los físicos lograron resolver un gran número de problemas relacionados con los átomos y las partículas que los componen. Un nuevo nivel de la realidad se había revelado, donde regían leyes totalmente distintas a las de nuestro mundo macroscópico.

La ecuación de Schrödinger tiene un rango de validez muy amplio, pero restringido a fenómenos en los que no se involucran velocidades cercanas a la de la luz. La mecánica cuántica nació como una extensión de la mecánica newtoniana al mundo atómico y, por ello precisamente llevaba inherentes las limitaciones básicas de ésta. En los años treinta, los fenómenos relativistas aún no tenían cabida en la nueva física cuántica. Era necesario, pues, unir la mecánica cuántica y la relatividad.

Para Entender la Física Cuántica

RESUMEN Y RESPUESTAS: Explicación para todos...

Reportaje a Sidney Perkowitz

¿Qué es la física cuántica?

La física cuántica es la rama de la física que describe las leyes por las que se rige el comportamiento de las partes más minúsculas de la naturaleza, como moléculas y átomos. A diferencia del mundo que vemos todos los días, en donde una pelota de fútbol hace una trayectoria parabólica cada vez que se lanza, en el mundo de los átomos las leyes de la física son mucho menos intuitivas.

¿Cómo se descubrió la física cuántica?

Alrededor del 1900, los investigadores de la época intentaban entender el denominado problema de la radiación del cuerpo negro: todo cuerpo, por el hecho de estar a una determinada temperatura, emite radiación electromagnética (es decir, luz) de una determinada energía. Es por eso que las brasas de mi chimenea son rojas, al igual que el hierro fundido.

Entender esta propiedad trajo entonces de cabeza a muchos físicos (¿de dónde sale esa luz?), y no se llegó a una solución al problema hasta que el alemán Max Planck introdujo una hipótesis sobre la forma en cómo interacciona la luz con la materia: el intercambio de energía entre luz y materia sólo puede darse en múltiplos de una cantidad fundamental, a la que llamó cuanto. Ésta es conocida como la hipótesis de Planck, y se considera como el nacimiento de la física cuántica.

La hipótesis introducida por Planck era algo absolutamente radical. Tanto lo era, que fue considerada por muchos físicos como una aberración, ya que iba en contra de todas las leyes de la física conocidas hasta la fecha. La mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell reinaban en aquellos tiempos. En este aspecto es curioso el hecho de que el propio Max Planck fuera siempre uno de los detractores de su propia hipótesis, a la que denominó en 1931 como “acto de desesperación”. Según él, ésta era una “solución temporal” al problema que daba predicciones que estaban de acuerdo con los experimentos. Pero su convicción era que otra teoría convencional más elaborada debería poder llegaría a explicar los resultados experimentales, y desbancar a su hipótesis.

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