Mucho se habla de la física cuántica, por todos lados se mencionan las nuevas tecnologías que se han creado gracias a ella, y de cómo los nuevos descubrimientos y teorías han creado una nueva visión del universo y de su origen. Podemos ver cientos de documentales del discovery, miles de libros estilo new age, o personas hablando en programas de televisión. Pero yo estoy seguro de que si voy y le pregunto a la abuela de la vuelta, si sabe realmente lo que es la física cuántica, o qué significa un cuanto, probablemente ella no tenga ni la más mínima idea de qué carajo le esté hablando (sí, me refiero a esa misma viejita que cada vez que la veo, me dice lo guapo que estoy).
Para ser sincero, yo tampoco estoy muy seguro de entenderlo (jeje), así que para empezar, voy a hacer un copy paste literal de la definición de wikipedia, y la de la RAE, que dice así (recomendación especial: sáltese los siguientes párrafos):
"La mecánica cuántica (también conocida como la física cuántica o la teoría cuántica) es una rama de la física que se ocupa de los fenómenos físicos a escalas microscópicas, donde la acción es del orden de la constante de Planck. [...] La mecánica cuántica describe [...] cómo en cualquier sistema físico –y por tanto, en todo el universo– existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y revelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede explicar debidamente la física clásica o más propiamente la mecánica clásica. [...] La mecánica cuántica es el fundamento de los estudios del átomo, su núcleo y las partículas elementales (siendo necesario el enfoque relativista). También en teoría de la información, criptografía y química."
En particular, sobre la palabra "cuántico":
"Fís. Se dice de la teoría formulada por el físico alemán Max Planck y de todo lo que a ella concierne."
Blababla. Constante de Planck, sistemas físicos, misterios de la estructura atómica, relativismo, partículas elementales, ¿de qué estamos hablando? En palabras muy requete resumidas, la física cuántica es la física de lo muy pequeñito. Supongo que no es necesario definir aquí qué es física, o qué es pequeñito, por lo que esta me parece a mí la definición más resumida y compacta que se le puede dar a este término. La física cuántica es la física que estudia el movimiento de las partículas y el comportamiento de la materia y energía a una escala pequeñísma, y surge principalmente para explicar fenómenos que no podía explicar la mecánica clásica de Newton.
Pero, ¿qué tan pequeña? Para ser más específico, hablo del tamaño en el cual no podemos conocer con exactitud la posición y la velocidad de una partícula al mismo tiempo (es decir, cuando se aplica el principio de incertidumbre de Heisenberg, como veremos más adelante. Nota: no confundir a Heisenberg con algún químico ficticio de alguna serie de televisión).
Como leyó más arriba (si es que hizo caso omiso a mi recomendación) la física cuántica se basa en la teoría del físico alemán Max Planck, y toma como punto de partida la dualidad onda-corpúsculo del físico francés Louis De Broglie y el principio de incertidumbre del también alemán Werner Heisenberg.
Empezaré con un poco de historia: antes de todo este embrollo de lo cuántico, los científicos locos creían que la energía, la radiación y en particular la luz se transmitían de forma continua de un cuerpo a otro. Es decir, una radiación de cierta frecuencia podía ceder cualquier cantidad de energía al ser absorbida por la materia. Para fines del siglo XIX fue posible medir la radiación de un cuerpo negro con mucha precisión. La intensidad de esta radiación podía ser calculada utilizando las leyes del electromagnetismo. El problema consistía en que si bien el espectro teórico del electromagnetismo junto a los resultados experimentales coincidían para bajas frecuencias (infrarrojo), estos no calzaban para nada a altas frecuencias, si se pensaba en esta transmisión continua de energía. Este problema era conocido con el super creativo nombre de “la catástrofe ultravioleta”, ya que mientras más alta era la frecuencia mayor era el error al comparar los datos experimentales de la energía absorbida con las mediciones que supuestamente debían arrojarse según la teoría. El error tendía a infinito, a mayor frecuencia la teoría hacía más el ridículo.
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| Aquí el científico loco, Max Planck |
Y adivinen quién logró explicar este fenómeno, hacer que todo calce pollo, y salvar a la humanidad del terrible hecho de no saber por qué la energía se comportaba tan raro. Max Planck -quien tenía hasta un nombre que suena bien- el cual debió mandar a la punta del cerro los conceptos básicos de la concepción ondulatoria en la teoría de la radiación electromagnética. Lo que postuló Planck al introducir su ley es que la única manera de obtener una fórmula experimentalmente correcta y resolver la tremenda catástrofe, era aceptar que el intercambio de energía debía suceder de una manera discontinua, es decir, a través de la emisión y absorción de cantidades discretas de energía. En el año 1900, Planck descubrió una constante fundamental, la denominada constante de Planck (lógicamente), usada para calcular la energía de un fotón. Esto significa que existe una cantidad mínima involucrada en el intercambio de energía, por lo que éste se produce solo en determinados momentos y en pequeñas cantidades denominadas cuantos o fotones, de uno en uno. La energía de un cuanto o fotón dependía obviamente de la frecuencia de la radiación.
Luego de todo esto, surge el Modelo Mecánico Cuántico, el cual es la explicación actual sobre el comportamiento del átomo, creado después de los modelos de Dalton, Thompson, Rutherford y Bohr. Después de tantos modelos erróneos, cada uno peor que el anterior, algo bueno tenía que surgir. Fue desarrollado entre los años 1924 y 1927, y quien comenzó a darle forma fue Louis de Broglie, quien supuso que los electrones deberían tener el comportamiento de una onda, lo cual fue demostrado en 1927. De Broglie argumentó que la naturaleza de la luz no sería fácilmente analizable a no ser que se la considerara de tipo ondulatorio al explicar fenómenos como la reflexión, refracción, difracción, etc. y de tipo corpuscular al hacerlo con otros fenómenos, como el fotoeléctrico. Es decir, que para algunos momentos era conveniente considerar a la luz como una onda, y en otros como una partícula. Además, De Broglie extendió el carácter dual de la luz a los electrones, protones, neutrones, átomos y moléculas, y en general a todas las partículas materiales. (Cabe destacar aquí lo que fué el experimento de la doble rendija, la paradoja de Richard Feynman y cómo ya se han llevado a cabo experimentos que demuestran la dualidad en la materia, principalmente electrones, pero eso es tema que da para hablar más en otra entrada)
Esta particular conducta de los electrones es la que implica el Principio de Incertidumbre, expuesto en 1927, dada la imposibilidad de determinar simultáneamente y con igual exactitud la posición y la velocidad de los electrones, y de cualquier partícula, pues para conocerlas es preciso interactuar directamente con éstas, haciendo incidir sobre las partículas por lo menos un foton, el cuál alteraría su posición. Piénselo bien, ¿cómo va a ser posible medir la posición de algo, si para hacerlo debemos hacerlo chocar contra otra cosa y desviarlo? El descubrimiento de que toda observación altera lo observado ha tenido consecuencias muy importantes en la construcción de la ciencia actual pues la misma está basada en la observación de la naturaleza. Es decir, observar un fenómeno cambia el resultado, pero sin mirar no se pueden formular las hipótesis. De ahí la incertidumbre.
Al no poder obtener al mismo tiempo estos parámetros de posición versus tiempo de una partícula, ya no podemos hablar de la trayectoria de la que se hablaba en la mecánica clásica de Newton. En vez de eso, los científicos rigen el movimiento de una partícula mediante una función matemática, que asigna a cada punto de posición y tiempo una probabilidad de que la partícula se encuentre allí. Imagine que su esposo se pierde tres días sin llegar a la casa. Usted no puede saber dónde se encuentra ni en qué momento del día se perdió o cuándo volverá, pero conociéndolo de seguro puede pensar en distintas posibilidades en las cuales podría haber terminado el mal hombre. Se fue con otra mujer, terminó borracho en un antro de mala muerte, o lo asaltaron y lo dejaron tirado en la cuneta de algúna población periférica. Calcule la de mayor probabilidad y así comprenderá un poco de qué estamos hablando. Ahora volvamos a lo serio.
La mecánica cuántica nos ha permitido explicar en "forma atómica" fenómenos que a primera vista no parecería admitir tal tipo de explicación...
Un breve video para entender la dualidad onda-partícula y la paradoja de Feynman
Enlaces de interés:
- Experimento mental de Feynman llevado a la realidad http://iopscience.iop.org/1367-2630/15/3/033018/article
