¿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 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 denominadoproblema 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 dóndecuernos 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 como 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.
Pero el descalabro iniciado por Planck en 1900 sólo hizo que ir en aumento.
En 1905,Albert Einstein (por entonces un desconocido empleado de la Oficina de Patentes de Berna, en Suiza)
volvió a utilizar las ideas de los “cuantos de energía” en su teoría para explicar el denominado efecto fotoeléctrico: cuando la luz incide en un material, ésta es capaz de arrancar electrones de él.
Pero Einstein fue un paso más lejos que Planck, y dotó al cuanto de energía de cara y ojos: le llamó fotón, y propuso que éste fuera una partícula fundamental.
Según Einstein, un haz de luz no era más que un chorro de cientos de miles de millones de fotones.
La capacidad que tuvo esta idea de reproducir los resultados obserados en los experimentos le valió al amigo Albert ni más ni menos que el premio Nobel de fisica en 1921.
Es curioso que esto no tuviera nada que ver con el posterior desarrollo en 1915 de su teoría de la relatividad, por la que tal vez es más conocido popularmente.
Max Planck a la izquierda, junto a Albert Einstein a la derecha.
Una revolución estaba en camino.
Una revolución profunda, y de alcance abismal.
Tan radical era, que atacaba directamente a las raíces en las que se sustentaba todo el conocimiento hasta la fecha sobre el funcionamiento del mundo.
De repente, los físicos tuvieron que enfrentarse con la situación de que la concepción que se tenia de la naturaleza estaba mal o,
como mínimo, era incompleta.
Muchos personajes siguieron elaborando la nueva teoría tras la hipótesis de Planck.
Además de los ya mencionados Planck y Einstein, también cabe destacar aHeisenberg, Schrödinger, Pauli, De Broglie, Bohr, Von Neumann, Dirac,
y a muchos otros que seguro que me dejo en el tintero.
Los que hoy nos ganamos el pan de cada día con la física somos,
en cierta medida, sus nietos científicos.
Porque yo no la veo por ninguna parte…
Bueno, que no se vea no quiere decir que no esté.
Una persona esta hecha de carne y hueso, lo que está compuesto de diversas sustancias orgánicas.
Éstas, a su vez, están hechas de diversas moléculas químicas formadas a partir de los elementos de la tabla periódica.
Estos elementos son átomos, formados por un núcleo en donde hay protones y neutrones, y una corteza repleta de electrones.
E incluso los protones y los neutrones están compuestos de quarks.
Este es el nivel en el que gobierna la física cuántica, y sin ella no habría
ni protones, ni átomos, ni elementos químicos, ni enlaces entre moléculas
que den sustancias orgánicas, ni células y, por consiguiente,
no habría vida, planetas, galaxias ni universo en el que vivir.
Tras el nacimiento de la física cuántica en el 1900, su posterior aplicación permitió, entre otras cosas, que entendiéramos mejor las propiedades de la luz y la materia.
Esto ayudó a la creación de nuevas tecnologías en favor del hombre.
En poco más de 100 años, hemos llenado de física cuántica nuestras vidas:
toda la electrónica está basada en mecánica cuántica,
lo que incluye todos los cacharritos que tenemos en casa como la televisión,
el iPod, el ordenador, el mando a distancia, la impresora, , mi calculadora,
el microondas, la placa vitrocerámica, el navegador del coche, el DVD,
mis antiguas cintas de cassete, la consola de videojuegos, etc.
También incluye a toda la química moderna, con sus enlaces covalentes, iones, electrolitos, ácidos, bases.. lo que a la práctica se traduce en mi champú para el pelo, la crema de afeitar, la potabilización del agua, los conservantes, etc.
Y más recientemente toda la fotónica:
las fibras ópticas, mis gafas de sol polarizadas, el láser
y sus infinitas aplicaciones, etc.
¿Me puedes contar cuatro o cinco cosas básicas sobre cuántica?
Pues sí, pero no van a ser cuatro o cinco, sino seis.
A continuación voy a intentar esbozar los conceptos básicos de esta teoría,
de manera entendible para el que no tenga ni idea.
Lo que me propongo, es difícil, porque entre otras cosas la física cuántica no tiene nada de intuitiva.
A diferencia de otras teorías físicas (como por ejemplo la termodinámica),
la mecánica cuántica se basa en una serie de postulados.
El hecho de que sean postulados quiere decir que no se pueden demostrar.
Desde un punto de vista matemático,
son axiomas que se toman como ciertos,
y a partir de ellos se establecen el resto de consecuencias,
predicciones y teoremas.
Los postulados sólo pueden ser contradichos por los experimentos,
es decir, si alguna vez se encontrase una situación que contradice uno de los postulados básicos, éste se debería revisar.
Es un hecho absolutamente remarcable que, en los últimos ciento y pico años,
ni un solo experimento ha contradicho jamás ninguno de los postulados de la
mecánica cuántica.
Postulado 1 (para entendidos):
el estado de un sistema físico está completamente descrito por un vector normalizado de un espacio de Hilbert asociado al sistema.
Postulado 1 (simplificado para iniciados):
cualquier cosa se describe con una flechita, es decir, algo que tiene una longitud, y que apunta hacia alguna parte.
Por ejemplo, una pelota que es “amarilla” se puede describir con una flechita hacia arriba, y la misma pelota pero de color “azul” se puede describir con una flechita hacia abajo.
¿Y que pasa si pongo una flechita que apunte en una dirección horizontal?
Pues pasa que eso describe una pelota que es “amarilla” y “azul” a la vez.
Nos podemos imaginar que, en este caso, la pelota es algo así como “verde”, es decir, ni totalmente “azul” ni totalmente “amarilla”, sino las dos cosas a la vez.
Como ven, ya empiezan las cosas extrañas desde el principio.
A eso se le llama superposición cuántica,
es la base de la famosa paradoja del gato de Schrödinger.
Postulado 2 (para entendidos):
a cada magnitud física asociada al sistema le corresponde un operador hermítico o autoadjunto, que se denomina observable.
Postulado 2 (simplificado para iniciados):
todo lo que me puedo preguntar sobre la flechita, se representa como una “operación” que hace que la flechita cambie.
Siguiendo con el ejemplo anterior, el color de la pelota se representa por una “operación” que cambia el color de la pelota, algo así como “pintar la pelota”. Raro, raro, raro…
Postulado 3 (para entendidos):
cuando se mide una magnitud física,
los resultados de los experimentos corresponden a los valores propios (autovalores) del operador observable correspondiente.
Postulado 3 (simplificado iniciados):
si quiero saber una propiedad de mi flechita, he de tomar la “operación” correspondiente, y buscar para que tipos de flechitas la “operación” no hace nada (es decir, deja a la flechita básicamente igual).
A esos tipos de flechitas, la “operación” les asocia un numerito.
Pues ese numerito es, ni mas ni menos, el resultado de una medida de la propiedad en cuestión en mi laboratorio de flechitas.
Casi nada, y eso que… ¡sólo vamos por el postulado 3!
En el ejemplo de la pelota, las flechitas asociadas a los colores “amarillo” y “azul” podrían ser las que no cambian cuando aplico la “operación de pintar la pelota” del postulado 2.
A esas flechitas, mi “operación de pintar la pelota” les asocia dos números, que corresponden a los dos posibles colores en los que me puedo encontrar a mi pelota si voy y la miro.
Postulado 4 (para entendidos):
la probabilidad de obtener el valor propio “a” del operador observable “A” es igual al cuadrado del módulo del producto escalar entre el vector que describe el sistema y el correspondiente vector propio de “A”.
Postulado 4 (simplificado para iniciados):
esto se está poniendo complicado…
cuando miro alguna propiedad de la flechita, a veces obtengo una cosa
y a veces otra.
La probabilidad de obtener una u otra cosa depende de cómo sea la flechita,
y de cómo sea la propiedad que miro.
Es decir, que una pelota “verde” representada por una flechita horizontal,
cuando la miro y me pregunto
“¿es amarilla o es azul?”,
resulta que la mitad de las veces la puedo ver “amarilla”,
y la otra mitad “azul”.
Sin embargo, si me preguntase
“¿es verde o roja?”,
siempre la vería verde.
Postulado 5 (para entendidos):
si sobre un sistema cuántico se mide una magnitud física, el vector de estado inmediatamente después de la medida es el vector propio correspondiente al valor propio obtenido de dicha magnitud.
Postulado 5 (simplificado para iniciados):
si mido “hacia adonde apunta la flechita”, y me sale que “hacia arriba”,
entonces mi flechita deja de apuntar a donde fuera que apuntase antes y,
de golpe, pasa a apuntar hacia arriba.
Menuda paranoia.
Vamos, que si mi pelota está en el estado “verde” y,
tras medir el color preguntándome “¿es amarilla o azul?”,
obtengo como resultado “amarillo”,
entonces la flechita que describe a mi pelota pasará a ser la correspondiente
al color “amarillo”.
Postulado 6 (para entendidos):
la evolución temporal de vector de estado de un sistema, en ausencia de medidas, cumple con la ecuación de Schrödinger:
Postulado 6 (simplificado para iniciados):
cuando no miro a mi flechita, ésta no campa a sus anchas,
sino que cambia de acuerdo a una ecuación muy rara con letras feas.
¡Lo que nos faltaba!
¡Ahora encima salen ecuaciones horribles!
Aunque su significado es bastante sencillo: pensando otra vez en mi pelota,
lo que quiere decir este postulado es que, cuando yo no miro a la pelotita,
el color de ésta cambia con el tiempo de una manera que se puede calcular.
Los detalles de esta evolución dependen del entorno en el que se encuentre
inmersa la pelotita.
Pero esto está lleno de contradicciones, ¿no?
De contradicciones, no.
Pero de paradojas, pues sí:
muchas y por todas partes.
La física cuántica esta repleta de situaciones raras que nos son muy extrañas.
Sin embargo,
todas ellas tienen explicación dentro del mismo marco de la teoría.
La mecánica cuántica es, en este sentido, autoconsistente.
Y nunca se ha observado ninguna violación de la misma.
Te puede gustar mucho o la puedes odiar, y te la puedes creer o no,
pero lo cierto es que esta ahí.
Y no es de extrañar que no sea intuitiva:
¿acaso alguno de nosotros es un átomo?
No, ¿verdad?
Pero SI ... somos muchos átomos
¡Pues cómo nos va a ser intuitiva entonces!
La cuántica es, en mi opinión,
la construcción intelectual más sorprendente
y admirable de la historia.
Sus predicciones son de una precisión que quitan el hipo.
Y de ella nos beneficiamos todos, del primero al último.
Y más Yo,
que soy un Físico Teórico.
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