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5 conceptos para que comiences a comprender la mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los objetos a muy pequeña escala, y la física moderna está dominada por sus conceptos.

Durante el siglo pasado, el mundo físico se explicó de acuerdo con los principios de la mecánica clásica o newtoniana. Sin embargo, a finales de siglo, esta mecánica ya no era suficiente para explicar algunas cuestiones que empezaron a aparecer. Por este motivo, se desarrollaron las Teorías de la Relatividad y la Mecánica Cuántica.

La relatividad es la teoría que describe la física de objetos muy masivos y de alta velocidad, mientras que la Mecánica Cuántica, o Física Cuántica, estudia la física de objetos muy pequeños.

Muchas de las ecuaciones de la mecánica clásica, que describen cómo se mueven las cosas en tamaños y velocidades en nuestra vida diaria, ya no son útiles en la escala de átomos y electrones, lo que ahora puede explicarse mediante los principios de la mecánica cuántica.

1. Las partículas son ondas y viceversa.

En la escala macroscópica, estamos acostumbrados a dos tipos de fenómenos: ondas y partículas.

Las partículas ocupan un lugar determinado en el espacio, transportando masa y energía a medida que se mueven. Las ondas se propagan por el espacio, transportando energía a medida que se mueven, pero sin masa.

Cuando las partículas chocan, toman trayectorias definidas, que se pueden calcular utilizando las leyes del movimiento de Newton. Las ondas, al atravesar las grietas, generan nuevas ondas que, al chocar, pueden reforzarse o anularse entre sí.

Sin embargo, en la mecánica cuántica, esta distinción entre ondas y partículas ya no existe. Los objetos que normalmente vemos como partículas, como los electrones, pueden comportarse como ondas en determinadas situaciones, mientras que los objetos que normalmente consideramos ondas, como la luz, pueden comportarse como partículas.

Por lo tanto, los electrones pueden crear patrones de difracción de ondas a medida que pasan por rendijas estrechas, al igual que las ondas emergen en un lago cuando arrojamos una piedra al agua. Por otro lado, el efecto fotoeléctrico (es decir, la absorción de luz por electrones en objetos sólidos) solo se puede explicar si la luz es como partícula.

Tales ideas llevaron a De Broglie a concluir que todas las entidades tenían aspectos de ondas y partículas, y que se manifestaban diferentes aspectos según el tipo de proceso sometido. Esto se conoció como el principio de dualidad partícula-onda.

2. Todo lo que podemos saber son probabilidades

Cuando los físicos utilizan la mecánica cuántica para predecir los resultados de un experimento, lo único que pueden predecir es la probabilidad de detectar uno de los posibles resultados.

Por ejemplo, si hacemos un experimento en el que un electrón terminará en el lugar A o B, al final, podemos decir que hay un 17% de probabilidad de encontrarlo en el punto A y un 83% de probabilidad de encontrarlo en el punto B Sin embargo, nunca podemos decir con certeza que el electrón terminará definitivamente en A o B.

Por muy cuidadosa que sea la preparación de cada electrón, no podremos saber definitivamente cuál será el resultado del experimento. Cada electrón es un experimento completamente nuevo y el resultado final es aleatorio.

3. La medición determina la realidad

Hasta que se mida el estado exacto de una partícula cuántica, ese estado es indeterminado. Solo después de realizar la medición se determinará el estado de la partícula, y todas las mediciones posteriores de esa partícula producirán exactamente el mismo resultado.

Este es el problema que inspiró el experimento de Erwin Schrödinger, del gato en la caja que puede estar vivo y muerto al mismo tiempo.

El experimento de la doble rendija confirma esta indeterminación. Hasta que se mida la posición del electrón en el lado opuesto del espacio, puede existir de todas las formas posibles.

Una partícula cuántica puede ocupar y ocupará varios estados hasta el momento en que se mida, y después de su medición existirá en un solo estado.

4. Las correlaciones cuánticas no son locales

Una de las consecuencias más extrañas e importantes de esta física es la idea de «entrelazamiento cuántico».

Cuando dos partículas cuánticas interactúan, sus estados dependerán el uno del otro, independientemente de la distancia entre ellos.

Puede retener una partícula en España y enviar la otra a Portugal, y luego medirlas simultáneamente. El resultado de la medición en España determinará el resultado de la medición en Portugal y viceversa.

La correlación entre estos estados no puede ser descrita por ninguna teoría local, en la que las partículas tienen estados definidos.

Estos estados son indeterminados hasta el momento en que se mide uno, pero en el momento en que se determinan los estados de ambos, por muy lejos que estén.

Esto se ha confirmado experimentalmente decenas de veces durante los últimos treinta años, incluso con átomos, y cada nuevo experimento ha reforzado esta teoría.

Aunque la medición en Portugal determina el estado de una partícula en España, el resultado de cada medición será completamente aleatorio.

No hay forma de manipular la partícula portuguesa para producir un resultado específico en España. La correlación entre las medidas solo será evidente después de la acción, cuando se comparen los dos resultados, y este proceso debe ocurrir a velocidades más lentas que la de la luz.

5. La física cuántica es real

Aunque la mecánica cuántica tiene muchas características que desafían nuestra intuición clásica, como estados indeterminados, medidas probabilísticas y efectos no locales, todavía está sujeta a reglas.

Por extrañas que puedan ser sus predicciones, la mecánica cuántica no va en contra de los principios fundamentales de la física. Es decir, no se pueden explotar los efectos cuánticos para construir una nave que viaje a la velocidad de la luz o inventar la telepatía.

La mecánica cuántica es una ciencia matemática rigurosa y precisa, y cada efecto que escuchas sobre ella es real y está confirmado por la experiencia.

¿Y dónde encuentro la física cuántica en mi vida diaria?

La física cuántica nos rodea y determina todo sobre el mundo en el que vivimos. El brillo rojo en el metal cuando se calienta y el color de la luz de una lámpara de neón se deben a la naturaleza cuántica de la luz y los átomos.

¡El Sol mismo está impulsado por la física cuántica! Si no fuera por el efecto cuántico conocido como «túnel», el Sol no podría fusionar hidrógeno en helio, produciendo la luz que permite la vida en la Tierra.

Además, las computadoras modernas que tenemos están construidas con chips de silicio, que contienen millones de pequeños transistores. Sin comprender la física cuántica de cómo actúan los átomos y los electrones, sería imposible construir un solo transistor, y mucho menos millones de ellos.

Las redes de telecomunicaciones modernas, como Internet, también dependen de la Mecánica Cuántica. En ellos, la información se transmite a través de pulsos de luz que viajan a través de cables de fibra óptica.

Estos pulsos de luz son producidos por láseres de diodo, que utilizan pequeños chips semiconductores para generar haces de luz intensos. La construcción de láseres que transporten Internet sería imposible sin comprender la física cuántica de los semiconductores y la naturaleza cuántica de la luz.

En otras palabras, gran parte de la tecnología que tenemos hoy existe gracias a la Mecánica Cuántica.

Pedro Espinosa

Written by Pedro Espinosa

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