Física Cuántica: qué es y cómo funciona
La física cuántica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y la energía a escala atómica y subatómica.
La física cuántica estudia cómo se comportan la materia y la energía a escalas extremadamente pequeñas, donde las leyes de la física clásica dejan de ser suficientes para explicar determinados fenómenos. Sus principios permiten comprender el comportamiento de átomos, electrones, fotones y otras partículas subatómicas, y han dado lugar a numerosas aplicaciones tecnológicas.
Por tanto, aunque puede parecer una ciencia difícil de comprender, sus principios están detrás de muchas de las tecnologías que utilizamos actualmente.
En este artículo veremos, de una manera sencilla, qué es la física cuántica, cómo funciona y algunas de sus principales aplicaciones.
¿Qué es la física cuántica?
Lo primero que podemos destacar es que sus aplicaciones son la base de la mayor parte de la alta tecnología de la que dispone a día de hoy el ser humano.
Científicamente, la física cuántica es la rama de la ciencia que estudia el mundo de las partículas atómicas y de las subatómicas.
El átomo sería la partícula atómica por excelencia, como su nombre indica, y los protones, electrones y neutrones, principalmente, las partículas subatómicas.
Estas últimas son más pequeñas que el átomo, y son, de hecho, las que lo componen.
Existen otras partículas subatómicas, que además pueden dividirse en partículas elementales o compuestas.
También, por si fuera poco, conocemos la existencia de otras partículas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo. Es el caso de los llamados neutrinos y bosones.
Veremos más adelante el tema de partículas con más detalle. Por el momento, lo que nos interesa es intentar resumir y comprender, sin que nos resulte en exceso complicado, en qué consiste y qué es la física cuántica.
El estudio de lo «Invisible»
Lo que tenemos claro es que podemos decir que la física cuántica estudia el mundo de lo microscópico, de aquello que no vemos, pero está siempre presente; y además, es lo que lo forma todo, y rige la mayor parte de leyes naturales.
Un concepto si duda ligado al de la física cuántica es el denominado mecánica cuántica. O lo que es lo mismo: el estudio del comportamiento de estas partículas atómicas y subatómicas, y su interacción con todas las fuerzas energéticas existentes.
Lo cierto, es que todo lo que acontece en este diminuto mundo de las partículas atómicas y subatómicas repercute de manera esencial en el mundo visible, en el cual estamos viviendo cada día.
La complejidad del Mundo Subatómico
Las aplicaciones de la física cuántica, y la comprensión del comportamiento de las partículas subatómicas, son de extrema importancia: medicina, tecnología, etc…
Aun así, se trata de una ciencia extremadamente compleja; tanto es así, que uno de los que llamaríamos «padres» de la física cuántica, Richard Feynman (astrofísico estadounidense, ganador del Premio Nobel), la describía de esta manera:
“Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no entiendes la mecánica cuántica”.
La complejidad de esta ciencia es que las leyes conocidas, y pertenecientes a lo que denominaríamos «física clásica«, no responden al comportamiento que se observa en las partículas atómicas y subatómicas.
Es por este motivo, que la física cuántica se rige por unas leyes propias. Esto significa que necesita de nuevas ecuaciones matemáticas, y nuevas perspectivas desde las que abordar su comprensión. Lo conocido hasta el momento de su aparición ya no era válido para poder aplicarlo a esta «nueva ciencia«.
Breve Historia de la Física Cuántica
Como en muchas ramas de la ciencia, el origen puede hallarse en una serie de descubrimientos previos, que van conformando la génesis de ese nuevo campo de investigación.
De manera más significativa, fue en 1900 cuando el físico alemán Max Planck introdujo la idea de que la energía asociada a la radiación podía emitirse o absorberse en cantidades discretas, llamadas cuantos. Esta propuesta, formulada para explicar la radiación del cuerpo negro, marcó uno de los primeros pasos hacia la física cuántica.
Cinco años más tarde, en 1905, Albert Einstein llevó esta idea un paso más allá al proponer que la propia luz podía estar formada por cuantos de energía:
«De acuerdo a las suposiciones a ser contempladas aquí, cuando un rayo de luz se está propagando desde un punto, la energía no está distribuida continuamente sobre espacios cada vez más grandes, pero [sino que] está constituida de un número finito de cuantos de energía que son localizados en puntos en el espacio, moviéndose sin dividirse y pudiendo ser absorbidos o generados sólo en su conjunto.»
Esto, lo podríamos explicar, de una manera simplificada, y usando un lenguaje más cercano, de la siguiente manera:
«Cuando la luz se mueve desde un punto, no se extiende uniformemente sobre un área más grande como una ola, sino que está hecha de pequeños paquetes de energía llamados ‘cuantos’. Estos cuantos de energía están en lugares específicos en el espacio y se mueven sin dividirse. Solo pueden ser absorbidos o emitidos en grupos completos.»
El principio de una Nueva Comprensión de la Realidad
Este enunciado está considerado como la sentencia más revolucionaría escrita en el S.XX por un científico… Y lo que Albert Einstein está diciendo aquí es, más o menos, lo siguiente:
– Los rayos de luz no son algo que se propaga y expande de manera infinita, adaptándose al espacio por donde se mueven… sino que estos rayos están formados por partículas definidas (llamadas “cuantos de energía“), en una cantidad concreta en cada caso. Estas partículas son localizables en puntos también definidos del espacio, y solamente pueden ser absorbidas y generadas de manera conjunta, en su totalidad.
De manera más sencilla y resumida, diremos que la luz no es una cosa inmaterial, sino que está también formada por partículas, las cuales responden a ciertas leyes que les son propias.
La idea principal es que las partículas son también ondas y las ondas son también partículas.
El «choque» entre la Física Clásica y la Cuántica
Podemos situar aproximadamente un siglo atrás lo que llamaríamos los cimientos de la física cuántica. Y no deja de resultar curioso el saber que científicos, incluso Albert Einstein, relacionados con esta nueva rama científica, pensaban de que pudiera ser en realidad algo que no tenía sentido.
Albert Einstein presentó en 1915 su famosa teoría de la relatividad general. Esta teoría describe la gravedad como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo causada por la materia y la energía.
Por tanto, todo lo demás, incluso el tiempo, resultaba relativo. Y por otra parte, este elemento, tiempo, estaba ligado de manera indivisible al espacio. De manera que, espacio y tiempo, estaban presentes siempre de manera conjunta.
La relatividad general explica la gravedad a escala cósmica, pero no describe las otras tres interacciones fundamentales: la fuerza electromagnética, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.
Digamos que la relatividad general permitió una nueva comprensión de la gravedad y del comportamiento del espacio-tiempo a escala astronómica, desde los movimientos de los planetas y las estrellas hasta fenómenos como los agujeros negros y la evolución del Universo.
La relatividad general permitió explicar numerosos fenómenos gravitatorios a gran escala, pero no describe por sí sola todos los fenómenos físicos que ocurren en el Universo.
El objetivo actual es llegar a poder formular una teoría que una estos «dos mundos»: la relatividad general y la física cuántica. Ello ayudaría a la comprensión de la cómo funciona la Naturaleza del Universo.
El misterio de la Estructura del Átomo
Lo que ocurrió cuando llegó la hora de describir la estructura del átomo es que las leyes físicas clásicas no encajaban.
Según la física clásica, si los electrones orbitasen alrededor del núcleo como cargas eléctricas aceleradas, deberían emitir radiación y perder energía progresivamente, hasta acabar cayendo sobre el núcleo. Sin embargo, esto no ocurre. La mecánica cuántica explica la estructura estable de los átomos mediante estados cuánticos de los electrones, en lugar de considerarlos simplemente como partículas que orbitan el núcleo.
Pero esto no ocurría así. Y todo lo que aparentemente funcionaba a nivel macroscópico, cuando llegaba al mundo de las partículas subatómicas no era válido.
Este mundo o nivel subatómico se rige por unas leyes, que no solo van en contra de las leyes de la física clásica, sino que desafían la lógica y sentido común del intelecto humano.
En determinados experimentos, las partículas cuánticas pueden encontrarse en una superposición de diferentes estados, lo que significa que no tienen una única posición definida hasta que se realiza una medición.
Este comportamiento está relacionado con la dualidad onda-corpúsculo, según la cual los objetos cuánticos pueden presentar propiedades asociadas tanto a partículas como a ondas, dependiendo del experimento y de las condiciones de medición.
Vamos a ver en el siguiente apartado en qué consiste este fenómeno de la física cuántica…
La Dualidad Onda-Corpúsculo
La dualidad onda-corpúsculo es uno de los conceptos fundamentales en la física cuántica que desafía nuestra intuición y comprensión clásica de la física. Se refiere a la idea de que las partículas subatómicas, como electrones y fotones, pueden exhibir tanto propiedades de partículas como de ondas, dependiendo de cómo se observen o midan.
Aquí hay una explicación más detallada de la dualidad onda-corpúsculo:
Propiedades de Partículas:
En ciertas situaciones, las partículas subatómicas muestran propiedades que asociamos con partículas, como resultados de detección localizados. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, cuanto mayor es la precisión con la que se determina la posición de una partícula, mayor es la incertidumbre sobre su momento lineal.
Propiedades de Ondas:
En otras situaciones, estas mismas partículas exhiben propiedades de ondas, como la interferencia y la difracción. La interferencia ocurre cuando las ondas se superponen y pueden sumarse o cancelarse entre sí. La difracción se refiere a la capacidad de una onda para doblarse alrededor de obstáculos.
El Experimento de la Rendija Doble:
Un experimento clásico que ilustra la dualidad onda-corpúsculo es el experimento de la rendija doble. En este experimento, se dispara un flujo de partículas, como electrones o fotones, hacia una barrera con dos rendijas. En el lado opuesto de la barrera, se observa un patrón de interferencia, similar al patrón de ondas que se produce cuando arrojas una piedra a un estanque. Esto sugiere que las partículas están exhibiendo propiedades de onda al pasar por las rendijas.
El Comportamiento Dependiente de la Observación:
Lo más intrigante es que el resultado de determinados experimentos cuánticos depende de cómo se realiza la medición. Cuando un experimento permite obtener información sobre el estado o el recorrido de una partícula, pueden desaparecer los patrones de interferencia característicos de su comportamiento ondulatorio. Sin embargo, cuando no se obtiene esa información, puede observarse un patrón de interferencia.
Esta dualidad plantea una paradoja fundamental en la física cuántica y ha llevado a discusiones filosóficas sobre la naturaleza de la realidad a nivel subatómico. La teoría cuántica proporciona probabilidades de observación en lugar de certezas absolutas, lo que ha llevado a debates sobre la naturaleza probabilística y la interpretación de la mecánica cuántica.
En resumen, la dualidad onda-corpúsculo es un concepto central de la física cuántica que muestra que las partículas como los electrones y los fotones pueden presentar propiedades asociadas tanto a partículas como a ondas. El comportamiento que se observa depende del experimento y de las condiciones de medición.
Aplicaciones de la Física Cuántica
Algunas de las principales aplicaciones de la física cuántica están presentes en tecnologías que utilizamos o encontramos en nuestra vida cotidiana. Entre ellas podemos destacar:
• Láser: utilizado en medicina, comunicaciones, industria y numerosos dispositivos tecnológicos.
• Semiconductores: fundamentales para la electrónica moderna y los circuitos integrados.
• Resonancia magnética: utiliza principios de la física cuántica para obtener imágenes del interior del cuerpo.
• Computación cuántica: una tecnología en desarrollo que utiliza fenómenos cuánticos para realizar determinados tipos de cálculos.