La mecánica cuántica es un subcampo de la física que describe el comportamiento de las partículas: átomoselectrones, fotones y casi todo en el ámbito molecular y submolecular.
Desarrollada durante la primera mitad del siglo XX, los resultados de la mecánica cuántica suelen ser extremadamente extraños y contradictorios.
¿En qué se diferencia la mecánica cuántica de la física clásica?
A escala de átomos y electrones, muchas de las ecuaciones de la mecánica clásica, que describen el movimiento y las interacciones de las cosas en tamaños y velocidades cotidianos, dejan de ser útiles.
En la mecánica clásica, los objetos existen en un lugar específico en un momento específico. En la mecánica cuántica, los objetos existen en cambio en una neblina de probabilidad; tienen una cierta posibilidad de estar en el punto A, otra posibilidad de estar en el punto B y así sucesivamente.
¿Cuándo se desarrolló la mecánica cuántica?
La mecánica cuántica se desarrolló durante muchas décadas, comenzando como un conjunto de explicaciones matemáticas controvertidas para experimentos que el matemáticas de la mecánica clásica no podía explicar, según la Universidad de St. Andrews en Escocia. Comenzó a principios del siglo XX, más o menos al mismo tiempo Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad, una revolución separada en la física que describe el movimiento de las cosas a altas velocidades. Sin embargo, a diferencia de la relatividad, los orígenes de la mecánica cuántica no pueden atribuirse a un solo científico. Más bien, varios científicos contribuyeron a una fundación que gradualmente ganó aceptación y verificación experimental entre finales del siglo XIX y 1930.
En 1900, el físico alemán Max Planck estaba tratando de explicar por qué los objetos a temperaturas específicas, como el filamento de 1470 grados Fahrenheit (800 grados Celsius) de una bombilla, brillaban de un color específico, en este caso, rojo, según el Instituto Perimetral. Planck se dio cuenta de que las ecuaciones utilizadas por el físico Ludwig Boltzmann para describir el comportamiento de los gases podían traducirse en una explicación de esta relación entre la temperatura y el color. El problema era que el trabajo de Boltzmann se basaba en el hecho de que cualquier gas estaba hecho de partículas diminutas, lo que significa que la luz también estaba hecha de partículas discretas.
Esta idea iba en contra de las ideas sobre la luz en ese momento, cuando la mayoría de los físicos creían que la luz era una onda continua y no un pequeño paquete. El propio Planck no creía ni en los átomos ni en los bits discretos de luz, pero su concepto recibió un impulso en 1905, cuando Einstein publicó un artículo, «Sobre un punto de vista heurístico hacia la emisión y transformación de la luz.»
Einstein imaginó que la luz viajaba no como una onda, sino como una especie de «cuantos de energía». Este paquete de energía, sugirió Einstein en su artículo, podría «ser absorbido o generado solo como un todo», específicamente cuando un átomo «salta» entre tasas de vibración cuantificadas. Aquí es donde viene la parte «cuántica» de la mecánica cuántica.
Con esta nueva forma de concebir la luz, Einstein ofreció información sobre el comportamiento de nueve fenómenos en su artículo, incluidos los colores específicos que Planck describió como emitidos por el filamento de una bombilla. También explicó cómo ciertos colores de luz podrían expulsar electrones de las superficies metálicas, un fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.
¿Qué es la dualidad onda-partícula?
En la mecánica cuántica, las partículas a veces pueden existir como ondas ya veces existen como partículas. Esto se puede ver de manera más famosa en el experimento de la doble rendija, donde se disparan partículas como electrones a un tablero con dos rendijas cortadas, detrás de las cuales se encuentra una pantalla que se ilumina cuando un electrón golpea. Si los electrones fueran partículas, crearían dos líneas brillantes donde habían impactado en la pantalla después de pasar por una u otra de las rendijas, según un artículo popular en Nature.
En cambio, cuando se realiza el experimento, se forma un patrón de interferencia en la pantalla. Este patrón de bandas oscuras y brillantes solo tiene sentido si los electrones son ondas, con crestas (puntos altos) y valles (puntos bajos), que pueden interferir entre sí. Incluso cuando se dispara un solo electrón a través de las rendijas a la vez, aparece el patrón de interferencia, un efecto similar a un solo electrón que interfiere consigo mismo.
En 1924, el físico francés Louis de Broglie utilizó las ecuaciones de Einstein teoría de la relatividad especial para mostrar que las partículas pueden exhibir características similares a las de las ondas y que las ondas pueden exhibir características similares a las de las partículas, un hallazgo para el cual ganó el Premio Nobel unos años después.
¿Cómo describe la mecánica cuántica a los átomos?
En la década de 1910, el físico danés Niels Bohr intentó describir la estructura interna de los átomos utilizando la mecánica cuántica. En este punto, se sabía que un átomo estaba hecho de un núcleo pesado, denso y con carga positiva rodeado por un enjambre de pequeños electrones ligeros con carga negativa. Bohr puso los electrones en órbitas alrededor del núcleo, como planetas en un sistema solar subatómico, excepto que solo podrían tener ciertas distancias orbitales predefinidas. Al saltar de una órbita a otra, el átomo podía recibir o emitir radiación a energías específicas, reflejando su naturaleza cuántica.
Poco después, dos científicos, trabajando de forma independiente y usando líneas separadas de pensamiento matemático, crearon una imagen cuántica más completa del átomo, según la Sociedad Americana de Física. En Alemania, el físico Werner Heisenberg logró esto al desarrollar la «mecánica de matrices». El físico austríaco-irlandés Erwin Schrödinger desarrolló una teoría similar llamada «mecánica ondulatoria». Schrödinger demostró en 1926 que estos dos enfoques eran equivalentes.
El modelo del átomo de Heisenberg-Schrödinger, en el que cada electrón actúa como una onda alrededor del núcleo de un átomo, reemplazó al modelo anterior de Bohr. En el modelo del átomo de Heisenberg-Schrödinger, los electrones obedecen a una «función de onda» y ocupan «orbitales» en lugar de órbitas. A diferencia de las órbitas circulares del modelo de Bohr, los orbitales atómicos tienen una variedad de formas, que van desde esferas hasta mancuernas y margaritas, según un sitio web explicativo del químico Jim Clark.
¿Qué es la paradoja del gato de Schrödinger?
El gato de Schrödinger es un experimento mental a menudo malinterpretado que describe las dudas que algunos de los primeros desarrolladores de la mecánica cuántica tuvieron con sus resultados. Mientras que Bohr y muchos de sus alumnos creían que la mecánica cuántica sugería que las partículas no tienen propiedades bien definidas hasta que se observan, Schrödinger y Einstein no podían creer tal posibilidad porque llevaría a conclusiones ridículas sobre la naturaleza de la realidad. En 1935, Schrödinger propuso un experimento en el que la vida o la muerte de un gato dependería del giro aleatorio de una partícula cuántica, cuyo estado permanecería oculto hasta que se abriera una caja. Schrödinger esperaba mostrar lo absurdo de las ideas de Bohr con un ejemplo del mundo real que dependía de la naturaleza probabilística de una partícula cuántica pero que arrojaba un resultado sin sentido.
Según la interpretación de Bohr de la mecánica cuántica, hasta que se abrió la caja, el gato existía en la imposible posición dual de estar vivo y muerto al mismo tiempo. (Ningún gato real ha sido nunca sometido a este experimento.) Tanto Schrödinger como Einstein creían que esto ayudaba a demostrar que la mecánica cuántica era una teoría incompleta y eventualmente sería reemplazada por una que concordaba con la experiencia ordinaria.
Schrödinger y Einstein ayudaron a resaltar otro extraño resultado de la mecánica cuántica que ninguno de los dos podía comprender por completo. En 1935, Einstein, junto con los físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, demostraron que se pueden configurar dos partículas cuánticas de modo que sus estados cuánticos siempre estén correlacionados entre sí, de acuerdo con la Enciclopedia de Filosofía de Stanford. Esencialmente, las partículas siempre «sabían» las propiedades de las demás. Eso significa que medir el estado de una partícula le diría instantáneamente el estado de su gemela, sin importar qué tan lejos estuvieran, un resultado que Einstein llamó «acción espeluznante a distancia», pero que Schrödinger pronto denominó «enredo.»
Se ha demostrado que el entrelazamiento es uno de los aspectos más esenciales de la mecánica cuántica y ocurre en el mundo real todo el tiempo. Los investigadores realizan con frecuencia experimentos utilizando el entrelazamiento cuántico y el fenómeno es parte de la base para el campo emergente de computación cuántica.
¿Son incompatibles la mecánica cuántica y la relatividad general?
Por el momento, los físicos carecen de una explicación completa para todas las partículas y fuerzas observadas en el universo, lo que a menudo se denomina teoría del todo. La relatividad de Einstein describe cosas grandes y masivas, mientras que la mecánica cuántica describe cosas pequeñas e insustanciales. Las dos teorías no son exactamente incompatibles, pero nadie sabe cómo hacer que encajen.
Muchos investigadores han buscado una teoría de la gravedad cuántica, que introduciría la gravedad en la mecánica cuántica y explicaría todo, desde los reinos subatómicos hasta los supergalácticos. Hay una gran cantidad de propuestas sobre cómo hacer esto, como inventar una partícula cuántica hipotética para la gravedad llamada gravitón, pero hasta ahora, ninguna teoría ha sido capaz de ajustarse a todas las observaciones de los objetos en nuestro universo. Otra propuesta popular, la teoría de cuerdas, que postula que las entidades más fundamentales son cuerdas diminutas que vibran en muchas dimensiones, ha comenzado a ser menos aceptada por los físicos debido a que se han descubierto pocas pruebas a su favor. Otros investigadores también han trabajado en teorías que implican bucle de gravedad cuánticaen el que tanto el tiempo como el espacio vienen en pequeños fragmentos discretos, pero hasta ahora ninguna idea ha logrado ganar un gran apoyo entre la comunidad física.
Este artículo fue escrito originalmente por el colaborador de Live Science, Robert Coolman, y Adam Mann lo actualizó el 2 de marzo de 2022.
Bibliografía
Arco, E. (2019, 19 de junio). Una breve historia cuántica de la bombilla. dentro del perímetro https://insidetheperimeter.ca/quick-quantum-history-of-the-light-bulb/
Clark, J. (2021, mayo). orbitales atómicos. https://www.chemguide.co.uk/atoms/properties/atomorbs.html
Coolman, R. (11 de septiembre de 2014). ¿Qué es la mecánica clásica? Ciencia Viva. https://www.livescience.com/47814-mecanica-clasica.html
O’Connor, JJ y Robertson, EF (1996, mayo). Una historia de la mecánica cuántica. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/The_Quantum_age_begins/
Einstein, A. (1905). Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz. Anales de física. https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol2-trans/100
Mann, A. (2020, 28 de febrero) El gato de Schrödinger: la mascota incomprendida favorita de la mecánica cuántica. Ciencia Viva. https://www.livescience.com/schrodingers-gato.html
Mann, A. (2019, 29 de agosto) ¿Qué es la teoría del todo?? espacio.com. https://www.space.com/teoria-de-todo-la-definicion.html
Moskowitz, C. (25 de marzo de 2012). Las moléculas más grandes hasta ahora se comportan como ondas en un experimento cuántico de doble rendija. Ciencia Viva. https://www.livescience.com/19268-quantum-double-slit-experiment-largest-molecules.html
Schirber, M. (2019, 9 de julio). ¿Qué es la relatividad? Ciencia Viva. https://www.livescience.com/32216-que-es-la-relatividad.html
El premio Nobel (sf). Hechos de Louis de Broglie. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1929/broglie/facts/
Tretkoff, E. (2008, febrero). Este mes en la historia de la física: febrero de 1927 El principio de incertidumbre de Heisenberg. Sociedad Americana de Física. https://www.aps.org/publications/apsnews/200802/physicshistory.cfm
Madera, C. (2019, 27 de agosto). ¿Qué es la gravedad cuántica? espacio.com. https://www.space.com/quantum-gravity.html
