¿Qué es la mecánica cuántica?

“Física cuántica” es un término que oímos con frecuencia, pero del que se tiene una idea tan vaga que incluso hay quien lo usa para vender engañosas “curas mediante la mente” o supuestamente cumplir tus deseos con tan sólo pensarlo.

La catástrofe ultravioleta

A finales del siglo XIX los físicos estaban muy satisfechos. Newton había descrito el movimiento tanto de planetas como de manzanas por medio de sencillas ecuaciones y gracias a Maxwell se había comprendido que electricidad y magnetismo formaban parte de un mismo fenómeno. Al parecer, si tenías los datos suficientes, era posible predecir (o determinar) cómo funcionaría cualquier sistema.

Hasta que llegó Max Planck. Se preguntaba por qué y cómo los objetos cambian de color cuando se calientan. Sucede que es porque, la energía que absorben la liberan en forma de luz con diferentes frecuencias. Según la mecánica clásica, a mayor energía introducida, la “radiancia espectral” aumentaría exponencialmente, ¡tendiendo al inifinito! Pero los experimentos mostraban que no sucedía tan rápido, y que había un límite. A este fallo de la teoría clásica se le conoce como “la catástrofe ultravioleta”.

Para resolver este problema, justo en 1900, a Plank se le ocurrió que en vez de medir la energía de manera continua, la podía medir en cantidades indivisibles, o paquetes, a los que llamó “cuantos” (o en inglés “quantum”). ¡Ahora todo encajaba! La unidad mínima de magnitud de acción (relación entre energía y tiempo) ahora se conoce como “Constante de Planck”, y cualquier proceso físico sólo se puede medir en múltiplos enteros de esta constante. Para Planck esta era una solución meramente matemática, pero poco tiempo después Einstein recuperó el concepto y lo usó para explicar y predecir el efecto fotoeléctrico, lo que le valió el premio Nobel. La realidad subatómica es cuántica.

Tanto así que Niels Bohr lo usó para construir su modelo de átomo. En él, los electrones pueden estar en ciertas órbitas, pero nunca en un punto intermedio: están “cuantizadas”. Y cuando pasan de una órbita a otra menor, emiten un fotón: la partícula de la luz.

¿La luz es una partícula? Dualidad onda-partícula

Científicos como Christian Huygens, al ver fenómenos como la difracción y la refracción de la luz, vieron que se comportaba de manera muy similar a las olas que se hacen en el agua. Concluyeron que se trataba de una onda. Pero otros científicos, como Newton, pensaron que entenderla como partículas explicaba mejor el asunto. Y de hecho, el efecto fotoeléctrico Antes de la teoría cuántica, Thomas Young había hecho un experimento: entre una fuente de luz y una pared oscura colocó un cartón con dos pequeñas rendijas. La imagen que se proyectaba no mostraba dos barras de luz, sino varias. Esto era un clásico patrón de interferencia que se obtendría sólo si la luz se comportaba como ondas que se reforzaban en unas partes y se cancelaban en otras.

Este experimento, conocido como “el experimento de la doble rendija”, se puede llevar a cabo lanzando una partícula a la vez, por ejemplo un fotón, el cual podría rebotar en la barrera o pasar por alguna de las dos rendijas y dejar una marca al chocar con la pantalla. Si hiciéramos el experimento con objetos como, digamos, municiones, no habría interferencia, sólo dos franjas de marcas donde la munición ha pegado. En cambio, si lo hacemos con partículas subatómicas el resultado es el patrón de interferencia que ya conocemos. ¡Un momento! si hemos lanzado sólo una partícula a la vez ¿cómo puede interferir con la partícula del futuro?

Y la cosa se pone todavía más rara. Si colocamos un detector en las rendijas para saber por cuál de ellas ha pasado el fotón ¡el patrón de interferencia desaparece y la luz se comporta como municiones! Es como si la mera observación cambiara el resultado del experimento. A este fenómeno se le llama “dualidad onda-partícula” de la luz. La verdad es que tanto “onda” como “partícula” son ideas de nuestro mundo cotidiano que intentamos usar para explicar el mundo cuántico, cuya naturaleza muchas veces va en contra de nuestra intuición. Sucede que la realidad cuántica no es determinística, como en la física clásica, sino probabilística.

Principio de incertidubre de Heisenberg

Otra consecuencia extraña de la mecánica cuántica es el principio de indeterminación o de incertidumbre de Heisenberg: está matemáticamente demostrado que no se pueden saber dos magnitudes de una partícula al mismo tiempo. Si conoces su posición, es imposible saber la cantidad de movimiento, y viceversa.

Efecto Hamlet -Gato de Schrödinger

La indeterminación cuántica también se aplica en el llamado “efecto Hamlet”: los materiales radioactivos tienden a decaer hasta dejar de serlo. si no se observa, un átomo radioactivo se encuentra en dos estados simultáneamente: ser y no ser radioactivo. De ahí el experimento mental ideado por Schrödinger: si la vida de un gato depende de un átomo en superposición de estados ¿el gato está vivo y muerto al mismo tiempo? Pareciera que así es, hasta que alguien lo observa.

Estos extraños resultados han tenido múltiples interpretaciones, entre ellas una que dice que existen universos paralelos… una pregunta que resolveremos en otro video

¡CuriosaMente!

-----------

• Límites de la física clásica

  • Newton: las ecuaciones nos permiten explicar y predecir el movimiento de los objetos.

  • Maxwell: unifica electricidad y magnetismo.

  • Lo que se transmite es en forma de ondas

  • Predictibilidad (determinismo)

• Max Plank

  • ¿por qué los objetos cambian de color al calentarse?

    • la radiancia espectral de los cuerpos aumenta rápidamente (tiende a infinito)

    • Este comportamiento irreal de las teorías clásicas a las altas frecuencias es conocido como «catástrofe ultravioleta». Planck estaba interesado en dar sentido a este dilema; para lograrlo, decidió considerar la energía absorbida y emitida por el cuerpo negro en forma de «paquetes» discretos.

    • “Catástrofe Ultravioleta”

  • la carga eléctrica de un cuerpo sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del electrón

  • constante de Planck (múltiplos enteros)

  • Desarrolló un modelo matemático que no se ajustaba a la física clásica

  • No se la creía

• Einstein retoma las ecuaciones de Plank

  • La energía de las partículas viene en paquetes, llamados “cuantos”

• Niels Bohr:

  • explica la estructura del átomo (niveles de energía)

  • Electrones como partículas

• Louis DeBrolie

  • Las partículas pueden comportarse como ondas (éter)

• Edwin Schrödinger

  • Ecuación de Schrödinger

• Experimento de la ranura doble

  • Patrón de interferencias

  • Dualidad onda-partícula (A veces se puede explicar como uno y a veces como otro)

  • Principio de incertidumbre de Heisenberg (no se pueden predecir los principios y las velocidades al mismo tiempo)

• Las cosas no se comportan como intuitivamente

• ¿Se pueden aplicar estos principios al mundo real?

  • Gato de shrödinger

• No dualidad onda partícula. Función de onda

  • Einstein

    • Entrelazamiento cuántico (misteriosa acción a distancia)

    • Impredictibilidad (Dios no juega a los dados con el universo)

  • Otros universos

• 
  

• Gato de Schroedinger

  • Superposición cuántica

• Interpretación de Copenague

• Interpretación de los muchos mundos

• Multiversos