Física Cuántica: ¿sabemos lo qué es?
Este artículo tiene una intención muy clara: explicar a los que no somos científicos, ni entendemos especialmente de ciencia, qué es la física cuántica.
Vamos allá, entonces…
¿Qué es y en qué consiste 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 un concepto absolutamente novedoso: la energía estaba «cuantizada».
¿Qué significa esto?… Albert Einstein, lo definía, cinco años más tarde, 1905, exactamente de esta manera:
«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.
Dicho Albert Einstein, presento en 1915 su famosa teoría de la relatividad general (o relatividad especial). Esta teoría, que cambiaría el mundo de la ciencia de manera asombrosa, afirmaba que el único elemento constante en el Universo era la velocidad de la luz.
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.
Las cuatro fuerzas fundamentales del Universo (la gravedad, la fuerza electromagnética, la energía nuclear débil, y la energía nuclear fuerte), se explicaban con esta única y revolucionaría teoría.
Digamos que la relatividad general permitía la aproximación al conocimiento de todos los cuerpos del Universo, desde a una galaxia en el espacio hasta elementos a nivel molecular en el propio ser humano.
Se podía afirmar que, todo aquello que estaba sucediendo en el Universo se ceñía a los postulados de la teoría de la relatividad general.
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.
Los electrones, al girar en torno al núcleo del átomo, debían emitir luz (según la teoría de la relatividad general); por tanto, irían perdiendo energía a medida que emitían esa luz. Al perder esa energía, los electrones deberían de caer sobre le núcleo del átomo, y este se rompería.
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.
Se ha observado, en modernos experimentos, que las partículas subatómicas se encuentran en dos lugares diferentes al mismo tiempo.
Ello se debe a que tienen una «doble naturaleza»: son partículas y son ondas al mismo tiempo (dualidad onda-corpúsculo).
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 se comportan como partículas definidas con una posición y momento bien definidos. Esto significa que puedes medir la posición de una partícula en un momento dado con alta precisión, pero tendrás menos certeza sobre su momento (velocidad).
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 comportamiento de las partículas subatómicas parece depender de si están siendo observadas o medidas. Cuando se observa el comportamiento de partículas a través de un experimento diseñado para medir su posición con precisión, actúan como partículas. Sin embargo, cuando no se realiza una observación precisa, pueden mostrar comportamientos de onda.
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 en la física cuántica que nos muestra que las partículas subatómicas pueden comportarse tanto como partículas definidas como ondas difusas, y este comportamiento depende de cómo se realice la observación o medición.
Aplicaciones de la Física Cuántica
Aun con todas estas contradicciones y comportamientos difíciles de entender, lo cierto es que la mecánica cuántica ha permitido al ser humano grandes avances tecnológicos.
Pruebas de ello las tenemos en el desarrollo de la fibra óptica, la inteligencia artificial, el GPS, o la tecnología láser, por ejemplo.