La física cuántica es una de las ramas de la ciencia más desafiantes, pero también una de las más fascinantes. Con poco más de un siglo de vida, ha sido capaz de revolucionar la comprensión del universo y el desarrollo de la tecnología.
Este campo de estudio redefine conceptos fundamentales como la materia y la energía, e introduce fenómenos inesperados y contraintuitivos como la superposición y el entrelazamiento cuántico. Estudios como el Grado en Física online de UNIR ahondan en este mundo microscópico.
Figura 1. Esquema del experimento de la doble rendija. A la izquierda cuando estamos observando, a la derecha cuando no estamos observando.
¿Qué es la Física Cuántica?
La física cuántica, también conocida como mecánica cuántica, es la rama científica que se encarga de estudiar el comportamiento de la materia y la energía a escalas atómica y subatómica. Esto es, se enfoca en los elementos más pequeños del mundo, a diferencia de la física clásica, que describe el mundo macroscópico con reglas deterministas y predecibles.
La principal característica de la mecánica cuántica es que rompe con la intuición al responder a reglas diferentes de las que rigen el mundo macroscópico que conocemos.
De esta forma, la mecánica cuántica se centra en explicar lo inexplicable sobre elementos que no somos capaces de percibir a simple vista, lo que abre la puerta a aplicaciones revolucionarias y el desarrollo de tecnologías como los láseres, los transistores o los chips de ordenadores.
Sonia Fernández-Vidal, una científica dedicada a divulgar la ciencia a través de la literatura infantojuvenil, explica que la física cuántica es la rama de la ciencia que explica cómo se comportan las partículas fundamentales, las que son más pequeñas que los átomos.
Los físicos de principios del siglo XX descubrieron que eran extrañas y que funcionaban de modo distinto al universo ordenado al que estaban acostumbrados. Los fenómenos cuánticos son raros y antiintuitivos y les parecían más próximos a la ciencia-ficción. Así empezaron a adentrarse en el universo de lo pequeño.
El Origen de la Física Cuántica
El origen de la física cuántica es relativamente reciente, en comparación con otros estudios científicos. Nació como respuesta a las limitaciones de la física clásica para explicar ciertos fenómenos a escala atómica y subatómica.
Los primeros pasos de esta rama se dieron a comienzos del siglo XX con el científico Max Planck a la cabeza. En sus postulados, introdujo la idea de que la energía se emite en unidades discretas llamadas cuantos para explicar el problema de la radiación del cuerpo negro.
Este problema surgió entre la comunidad científica cuando los físicos descubrieron que la radiación emitida por un cuerpo negro a diferentes temperaturas no se ajustaba a las predicciones de la física clásica.
A partir de entonces, otros grandes científicos como Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger o Paul Dirac fueron aportando su grano de arena a los avances en física cuántica.
Así, en poco más de un siglo, la física cuántica ha desarrollado conceptos y leyes revolucionarias para comprender el mundo subatómico, convirtiéndose en una de las teorías más contraintuitivas de la ciencia. Además, continúa siendo un campo de investigación activo, con grandes interrogantes y nuevas aplicaciones.
Max Planck inventó la teoría cuántica en 1900, pensó que solo era un truco matemático. Planck probó varias soluciones para resolver el problema antes de dar con la idea de que la luz es emitida por medio de energías “cuánticas”, múltiplos exactos de cierta cantidad mínima, o “cuanto”. A esto lo llamó “un acto de desesperación”, pero produjo el espectro correcto de luz de un cuerpo caliente y eso le valió el Premio Nobel en 1918.
Después, Albert Einstein y Niels Bohr obtuvieron sus propios premios Nobel al extender el trabajo de Planck. Fue asombroso encontrar que el mundo operaba de esta extraña manera. Ahora se sabe que los saltos cuánticos y todo lo demás son reales.
Científicos Clave en la Física Cuántica
Son muchos los nombres de científicos importantes que han contribuido al desarrollo de la física cuántica desde sus orígenes. Algunos de los más destacados son:
- Max Planck (1858-1947): Fue el pionero de la mecánica cuántica al introducir, en 1900, la idea de los cuantos de energía como explicación al problema de la radiación de los cuerpos negros. La ley de radiación que lleva su nombre fue la primera manifestación de la teoría cuántica y llevó al desarrollo de la física cuántica moderna. Ganó el Premio Nobel de Física en 1918.
- Niels Bohr (1885-1962): Su modelo atómico y sus ideas sobre la mecánica cuántica explicaron la estructura atómica y el comportamiento de los electrones. En 1913 propuso un modelo de átomo basado en niveles de energía con los que orbitan los electrones alrededor del núcleo. Su principio de correspondencia estableció una conexión entre la mecánica cuántica y la física clásica.
- Werner Heisenberg (1901-1976): Formuló el principio de incertidumbre en 1927, que establece la imposibilidad de conocer simultáneamente con precisión arbitraria la posición de una partícula en cada momento. Desarrolló también la mecánica cuántica matricial, una formulación matemática de la teoría cuántica que fue fundamental para su desarrollo inicial. Ambas son fundamentales para la comprensión moderna de la física cuántica y la naturaleza probabilística de las partículas subatómicas.
- Erwin Schrödinger (1887-1961): Su ecuación de onda ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica y la comprensión de cómo las partículas subatómicas interactúan y evolucionan en el tiempo. Propuso que la función de onda en la mecánica cuántica representa la probabilidad de encontrar una partícula en una región dada y, al mismo tiempo, trabajó en el desarrollo de la teoría estadística y probabilística aplicada a la mecánica cuántica. Esta interpretación es crucial para comprender cómo se aplican los conceptos cuánticos en el análisis de sistemas físicos.
El trabajo de todos estos científicos ha sido fundamental para la formulación y desarrollo de la física cuántica.
Moneda con el rostro del científico pionero de la mecánica cuántica, Max Planck.
Aplicaciones de la Física Cuántica
En tan solo un siglo, la física cuántica ha facilitado la aparición de importantes aplicaciones tecnológicas revolucionarias. Algunas de las más destacadas son:
- Computación cuántica: los ordenadores que trabajan con física cuántica son capaces de realizar cálculos más complejos a una velocidad mucho mayor que la computación clásica y resolver problemas imposibles para otros sistemas. Como HAL 9000, la máquina de la película 2001: Una odisea en el espacio, aunque la tecnología actual está aún lejos de crear algo similar. Esta disciplina puede estudiarse en el Máster en Computación Cuántica online de UNIR.
- Electrónica y semiconductores: los transistores son los componentes fundamentales en los dispositivos electrónicos y utilizan la física cuántica para su funcionamiento, al igual que los diodos, disponibles en dispositivos como los lectores de CD o la fibra óptica.
- Criptografía: mediante la mecánica cuántica se puede garantizar en mayor medida la seguridad de las comunicaciones desarrollando claves imposibles de interceptar.
- Tecnología de materiales: los materiales superconductores transportan la electricidad de forma más eficaz valiéndose de los principios cuánticos, mientras que la nanotecnología desarrolla materiales con propiedades muy avanzadas y de gran utilidad en diversas industrias.
- Imágenes médicas: la física cuántica tiene utilidad para las resonancias magnéticas y el análisis de estructuras moleculares.
Asimismo, las aplicaciones actuales de la física cuántica se extienden a otros ámbitos como el de la comunicación, la energía, los sensores o la simulación de sistemas complejos. Y a medida que se siga explorando el potencial de este campo de estudio se irán ampliando sus aplicaciones en diferentes industrias y sectores tecnológicos.
Retos de la Física Cuántica
Aunque los avances en el último siglo han sido significativos, la física cuántica sigue presentando una serie de retos y desafíos tanto teóricos como prácticos. Los más importantes son:
- Comprensión de la realidad a nivel cuántico para entender cómo se comportan las partículas.
- Incompatibilidad con las teorías de la física clásica, lo que presenta un desafío a la hora de encontrar un sistema de gravedad común a ambas.
- Descubrimiento de los límites de información que pueden almacenarse a este nivel e implementación de la teletransportación cuántica de las partículas.
- Búsqueda de una teoría unificada que explique los fundamentos del mundo microscópico y macroscópico.
Resolver estos desafíos no solo permitirá comprender mejor el universo, sino que también podría abrir nuevas puertas a tecnologías revolucionarias, como la computación cuántica y la teletransportación cuántica.
Conceptos Clave de la Física Cuántica
La física cuántica está llena de conceptos que pueden parecer extraños al principio, pero son fundamentales para entender cómo funciona el mundo a nivel subatómico. Algunos de estos conceptos son:
- Dualidad onda-partícula: Las partículas subatómicas pueden comportarse tanto como ondas como partículas, dependiendo de cómo se observen.
- Principio de incertidumbre de Heisenberg: Es imposible conocer con precisión simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula subatómica. Cuanto más intentamos medir una de estas propiedades, menos precisión tenemos en la otra.
- Superposición: Las partículas pueden existir en múltiples estados o ubicaciones al mismo tiempo.
Estos conceptos son esenciales para comprender fenómenos como el experimento de la doble rendija.
El Experimento de la Doble Rendija
Uno de los experimentos más icónicos e interesantes del mundo de la física cuántica es el experimento de la doble rendija. Imaginemos un montaje experimental aparentemente sencillo pero extraordinario. En una placa opaca se encuentra una barrera con dos rendijas estrechas: la rendija A y la rendija B. Se inyecta una corriente de partículas, como electrones o fotones, hacia la barrera.
Según la física clásica, uno podría esperar que cada partícula pase por una de las rendijas, como una pelota que pasa por una de dos puertas.
Cuando no estamos observando el proceso, las partículas se comportan de manera aleatoria. En lugar de tomar un camino definido, como lo haría una pelota, las partículas cuánticas parecen tomar todos los caminos posibles a la vez.
Figura 2. Comportamiento de las partículas cuando no estamos observando.
Sin embargo, cuando intentamos observar cuál de las dos rendijas cruzó la partícula, el comportamiento cambia. La partícula se comporta como una partícula clásica, eludiendo el patrón de interferencia y pasando a través de una sola rendija, como si realmente supiera que estaba siendo observada.
Figura 3. Comportamiento de las partículas cuando estamos observando.
Este hecho ha dado lugar a diversas interpretaciones y teorías que buscan explicar la naturaleza de este comportamiento dual. Este experimento plantea preguntas sobre la naturaleza de la realidad a escalas subatómicas.
Según el investigador Charles Clark, codirector del Joint Quantum Institute en la Universidad de Maryland, sería “un gran tema ubicar dónde está el problema” que hace que la teoría cuántica sea tan difícil de interpretar. En parte, esto se debe a que es muy abstracta, por mor de la pequeñez de lo que describe.
Cuando pateamos un balón, obtenemos conocimiento empírico de cómo funciona el mundo a una escala humana.
Einstein no creía que la naturaleza fuera azarosa, como lo expresó en su famoso comentario “Dios no juega a los dados con el universo”, pero en teoría cuántica este no parece ser el caso.
Por ejemplo, la propiedad llamada “giro” hace que los electrones se comporten como pequeñas barras magnéticas con su polo norte apuntando hacia arriba (U) o abajo (D). El experimento del “gato de Schrödinger” -como lo imaginó en 1935 el pionero de la teoría cuántica Erwin Schrödinger- ilustra esta naturaleza estadística.
Necesitamos comprender estos raros efectos si deseamos entender la física cuántica; pero, incluso sin eso, la cuántica está entrando en la tecnología digital.
La Constante de Planck
La constante de Planck, representada por la letra h, se asentó como uno de los pilares fundamentales de la física cuántica, jugando un papel fundamental en la cuantización de los fenómenos que tienen lugar en la naturaleza. Hasta ese momento, se consideraba que una emisión de energía podía tener cualquier valor pero, con la postulación de Planck, se determinó que siempre debía estar cuantizada en cantidades que fueran múltiplos enteros de la constante, h.
Para ser exactos, su valor es de 6.626x10-34 julios por segundo, según el Sistema Internacional de Unidades.
Asimismo, la constante de Planck también desempeñó un papel esencial en la formulación de otro de los grandes planteamientos de la cuántica: el principio de incertidumbre de Heisenberg. La idea de ese planteamiento establece que es imposible conocer con absoluta precisión la posición y la cantidad de momento de una partícula.
Su presencia, deducida de forma teórica, consigue dar explicación y manifestarse a través de fenómenos cuánticos observados en diferentes experimentos, los cuales, consolidaron definitivamente su importancia.
Por ejemplo, basándose en el testimonio de Planck, Albert Einstein propuso en 1905 una explicación cuántica para el efecto fotoeléctrico, apostando a que la luz que incide sobre un metal arranca electrones.
Para establecer esta idea, Einstein utilizó como hipótesis que la luz está compuesta por partículas llamadas fotones, cada uno con energía proporcional a la constante de Planck. Fue justamente este fenómeno el que consiguió explicar que la luz presentaba comportamientos tanto de onda como de partícula, sentando las bases para la dualidad onda-partícula.
Asimismo, en el año 1927, Clinton Davisson y Lester Germer realizaron diferentes experimentos de difracción de electrones, demostrando que estos exhibían comportamientos ondulatorios muy similares a las ondas de luz. Este fenómeno, que pasó a conocerse como difracción de electrones, confirmó esa dualidad onda-partícula y resaltó la necesidad de considerar la constante de Planck como un elemento indispensable en el estudio del mundo microscópico.
También en el año 1981 jugó un papel muy importante durante la invención del microscopio de efecto túnel.
La Dualidad Onda-Partícula
La dualidad onda-partícula es un concepto fundamental en la física cuántica que establece que las partículas subatómicas, como los electrones y los fotones, pueden exhibir propiedades tanto de ondas como de partículas. Esto significa que, en ciertas situaciones, estas entidades se comportan como ondas, mostrando fenómenos de interferencia y difracción, mientras que en otras situaciones se comportan como partículas, mostrando propiedades de localización y momento definido.
Este concepto desafía la intuición clásica, que considera que un objeto debe ser exclusivamente una onda o una partícula, pero no ambas cosas a la vez. Sin embargo, la dualidad onda-partícula es una característica inherente de la naturaleza a nivel cuántico y ha sido confirmada experimentalmente en numerosas ocasiones.
En el experimento de la doble rendija, se observa claramente la dualidad onda-partícula. Cuando las partículas subatómicas se envían a través de dos rendijas, crean un patrón de interferencia en la pantalla de detección, similar al que producen las ondas de agua al pasar por dos aberturas. Esto sugiere que las partículas se comportan como ondas, interfiriendo entre sí y creando regiones de mayor y menor intensidad.
Sin embargo, cuando se intenta observar cuál de las dos rendijas atraviesa cada partícula, el patrón de interferencia desaparece y se observa un patrón de dos bandas separadas, como si las partículas se comportaran como objetos localizados que pasan por una u otra rendija.
Este cambio en el comportamiento de las partículas al ser observadas es uno de los aspectos más desconcertantes de la física cuántica y ha dado lugar a diversas interpretaciones y debates sobre la naturaleza de la realidad a nivel subatómico.
La Importancia de la Divulgación Científica
La divulgación científica es muy importante por dos motivos. El primero es que el dinero público que llega a centros de investigación tiene que tener un retorno a la sociedad. Y el segundo es la necesidad de crear una cultura científica fuerte.
Con tanta sobreinformación, no sabes qué creerte y el antídoto para los bulos es el método científico, que anima a buscar las fuentes y someterlo todo a escrutinio.
Es esencial incentivar las vocaciones científicas, en niños y en niñas. Las mujeres podemos acceder a lo que queramos gracias a las investigadoras que vinieron detrás. La directora del CERN es una mujer. Siempre ha habido grandes científicas, pero el foco no estaba en ellas y hacen falta referentes.
En los periódicos hay deportes, astrología, etc., pero pocas secciones fijas de ciencia. Las echo de menos. Se hacen programas y hay youtubers muy buenos, pero la Ciencia debe formar parte de la cultura.
La sociedad cada vez depende más de la ciencia y la tecnología, pero a la vez muy ignorantes. Esa combinación es explosiva. ¿Quiénes tomarán las decisiones, entonces? ¿Sólo los que conocen cómo funciona la IA, por ejemplo? Seremos más manejables.
La Física Cuántica y la Vida Cotidiana
Aunque la física cuántica pueda parecer algo lejano y abstracto, en realidad está presente en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. Por ejemplo:
- Anuncios de neón: Un anuncio de neón es un tubo de cristal relleno con el gas noble neón o con otro gas que brilla cuando se le aplica un voltaje. La “descarga luminosa”, vista por primera vez a finales del siglo XIX, funciona porque el voltaje eleva a los electrones de los átomos del gas a un nivel más alto de energía; después, los electrones descienden a niveles más bajos y sueltan fotones. Los gases poseen diferentes niveles de energía atómica, y estos niveles definen las longitudes de onda del fotón. La descarga luminosa está también en la iluminación fluorescente y en el láser.
- Láser: El láser, inventado en 1960, es como un tubo de descarga entre dos espejos. Al tiempo que los fotones de un salto cuántico atómico rebotan de un lado a otro, estimulan más fotones de los átomos que lo atraviesan. Eso produce un rayo mejorado de luz pura en una sola longitud de onda.
- LEDs: Los saltos cuánticos aparecen también en los diodos emisores de luz (led). Los leds están hechos de semiconductores en los cuales los electrones deben saltar a través de una brecha hacia una energía mayor, antes de moverse como corriente eléctrica.
- Aparatos digitales: Además de para el led, el comportamiento cuántico es crucial para los aparatos digitales. Los circuitos integrados en los aparatos digitales representan bits binarios en pequeños interruptores electrónicos que se prenden o apagan para representar el 0 y el 1.
Como vemos, la física cuántica no es solo una teoría abstracta, sino que tiene aplicaciones prácticas que influyen en nuestra vida diaria.
| Concepto | Descripción | Ejemplo |
|---|---|---|
| Dualidad onda-partícula | Las partículas pueden comportarse como ondas o partículas | Electrones en el experimento de la doble rendija |
| Superposición | Las partículas pueden estar en múltiples estados a la vez | Qubits en computación cuántica |
| Entrelazamiento cuántico | Partículas conectadas de forma que el estado de una afecta a la otra | Comunicación cuántica |
La física cuántica es un campo fascinante que desafía nuestra comprensión del universo. Aunque puede parecer complicado, es fundamental para entender cómo funciona el mundo a nivel subatómico y para desarrollar nuevas tecnologías. ¡Así que no tengas miedo de explorar este mundo cuántico!