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CIENCIA. Teoría Cuántica: una revolución científica que cambió la física para siempre

 


Para muchos, la física cuántica, o la mecánica cuántica, puede parecer un tema oscuro, con poca aplicación para la vida cotidiana, pero sus principios y leyes forman la base para explicar cómo funcionan la  materia y la luz a escala atómica y subatómica. 

Si desea comprender cómo se mueven los electrones a través de un chip de computadora , cómo viajan los fotones de luz en un panel solar o se amplifican en un  láser , o incluso por qué el sol sigue ardiendo, necesitará utilizar la mecánica cuántica.

¿Qué es la física cuántica?

La mecánica cuántica es la rama de la física relacionada con los componentes elementales de la naturaleza, es el estudio de las interacciones que tienen lugar entre fuerzas subatómicas. La mecánica cuántica se desarrolló porque muchas de las ecuaciones de  la mecánica clásica , que describen interacciones a mayores tamaños y velocidades, dejan de ser útiles o predictivas al intentar explicar las fuerzas de la naturaleza que actúan a escala atómica.

La mecánica cuántica, y las matemáticas que la subyacen, no se basan en una sola teoría, sino en una serie de teorías inspiradas en nuevos resultados experimentales, conocimientos teóricos y métodos matemáticos que se dilucidaron a partir de la primera mitad del siglo XX, y juntos crean un sistema teórico cuyo poder predictivo lo ha convertido en uno de los modelos científicos más exitosos creados.

Descubrimientos, principios y teorías que llevaron a la mecánica cuántica

Se puede decir que la historia de la mecánica cuántica comienza en 1859, 32 años antes del descubrimiento del electrón. Muchos físicos estaban preocupados por un fenómeno desconcertante: no importa de qué esté hecho un objeto, si puede sobrevivir al ser calentado a una temperatura determinada, el espectro de luz que emite es exactamente el mismo que el de cualquier otra sustancia. 

En 1859, el físico  Gustav Kirchhoff propuso una solución cuando demostró que  la energía emitida por un objeto de cuerpo negro depende de la temperatura y la frecuencia de la energía emitida, es decir:

E = J (T, v) 

Un cuerpo negro es un emisor perfecto, un objeto idealizado que absorbe toda la energía que cae sobre él (debido a que no refleja luz, parecería negro para un observador). Kirchhoff desafió a los físicos a encontrar la función J, que permitiría describir la energía emitida por la luz para todas las longitudes de onda.

En los años siguientes, varios físicos trabajarían en este problema. Uno de ellos fue Heinrich Rubens, quien trabajó para medir la energía de la radiación del cuerpo negro. En 1900, Rubens visitó a su colega físico Max Planck  y le explicó sus resultados. A las pocas horas de Rubens dejando la casa de Planck,  Planck  había dado con una respuesta a la función de Kirchoff, que se ajustaba a la evidencia experimental.

Planck buscó utilizar la ecuación para explicar la distribución de colores emitidos sobre el espectro en el resplandor de los objetos calientes al rojo y el blanco. Sin embargo, al hacer esto, Planck se dio cuenta de que la ecuación implicaba que solo se emitían combinaciones de ciertos colores, y en  múltiplos enteros de una pequeña constante (que se conoció como constante de Plank) multiplicada por la frecuencia de la luz. 

Esto fue inesperado porque, en ese momento, se creía que la luz actuaba como una onda, lo que significaba que los valores de color emitidos debían ser un espectro continuo. Sin embargo, Planck se dio cuenta de que su solución daba diferentes valores en diferentes longitudes de onda. 

Para  explicar cómo   se impedía que los átomos produjeran ciertos colores, Planck hizo una suposición novedosa: que los átomos absorben y emiten energía en forma de unidades de energía indistinguibles, lo que llegó a llamarse cuantos

En ese momento, Planck consideraba la cuantificación como un truco matemático para hacer funcionar su teoría. Sin embargo, unos años más tarde, los físicos demostraron  que el electromagnetismo clásico nunca podría explicar el espectro observado. Estas pruebas ayudaron a convencer a los físicos de que la noción de Planck de niveles de energía cuantificados puede ser, de hecho, más que un "truco" matemático.  

Fuente: Hyperphysics

Una de las pruebas la dio Einstein, quien publicó un artículo en 1905 en el que imaginaba que la luz viajaba no como una onda, sino como un paquete de "cuantos de energía" que podrían ser absorbidos o generados cuando un átomo "salta" entre vibraciones cuantificadas. tarifas. En este modelo, los cuantos contenían la diferencia de energía del salto; cuando se divide por la constante de Planck, esa diferencia de energía determina la longitud de onda de la luz emitida por esos cuantos

En 1913, Niels Bohr  aplicó la hipótesis de cuantificación de Planck al modelo "planetario" del átomo de Ernest Rutherford de 1911. Este modelo, que pasó a llamarse modelo de Rutherford-Bohr, postulaba que los electrones orbitaban el núcleo de manera similar a como los planetas orbitan alrededor del sol. Bohr propuso que los electrones solo podían orbitar a ciertas distancias del núcleo y podían "saltar" entre las órbitas; al hacerlo, se emitiría energía en ciertas longitudes de onda de luz, que podrían observarse como líneas espectrales. 

Ahora parecía que la luz podía actuar como onda y como partícula. Sin embargo, ¿qué pasa con el asunto?

En 1924, el físico francés Louis de Broglie usó las ecuaciones de la teoría de la relatividad especial de Einstein para mostrar que las partículas pueden exhibir características onduladas y viceversa.  

El físico alemán Werner Heisenberg se reunió con Niels Bohr en la Universidad de Copenhague en 1925, y después de esta reunión, aplicó el razonamiento de De Broglie para comprender la intensidad del espectro de un electrón. Al mismo tiempo, el físico austriaco Erwin Schrödinger, trabajando de forma independiente, también utilizó el razonamiento de De Broglie para explicar cómo se movían los electrones en los átomos. Al año siguiente, Schrödinger demostró que los dos enfoques eran equivalentes.

En 1927, Heisenberg razonó que si la materia puede actuar como una onda, debe haber un límite en la precisión con la que podemos conocer algunas propiedades, como la posición y la velocidad de un electrón. En lo que más tarde se llamaría "principio de incertidumbre de Heisenberg  ", razonó que cuanto más precisamente se conoce la posición de un electrón, con menor precisión se puede conocer su velocidad, y viceversa. Resultó ser una pieza importante del rompecabezas cuántico.

En el modelo mecánico cuántico de Heisenberg-Schrödinger  del átomo , cada electrón actúa como una onda o "nube" alrededor del núcleo de un átomo, con la capacidad de medir solo la velocidad o posición de un electrón con una probabilidad particular. Este modelo reemplazó al modelo de Rutherford-Bohr.

Ecuación de la onda de Shrodinger. Fuente: Hyperphysics

Todas estas revelaciones sobre la teoría cuántica revolucionaron el mundo de la física y revelaron detalles importantes sobre las acciones universales a nivel atómico y subatómico.

La mecánica cuántica combinada con otros fenómenos de la física, como la relatividad, la gravitación, el electromagnetismo, etc., también aumentó nuestra comprensión del mundo físico y cómo se producen la construcción y la destrucción dentro de él. 

Por sus contribuciones excepcionales, Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg y Schrödinger recibieron el Premio Nobel de Física en 1918, 1921, 1922, 1932 y 1933 respectivamente. 

Los debates de Bohr-Einstein

Neils Bohr y Albert Einstein. Fuente: Stalhkocher / Wikimedia Commons

Si bien puede parecer que la mecánica cuántica progresó en una serie bastante sencilla de saltos teóricos, en realidad, hubo mucho desacuerdo entre los físicos sobre su relevancia.

Estos desacuerdos alcanzaron su punto máximo en la Conferencia Solvay de 1927 en Bruselas, donde 29 de los científicos más brillantes del mundo se reunieron para discutir las muchas observaciones aparentemente contradictorias en la teoría cuántica que no pudieron conciliarse. Un punto importante de controversia tuvo que ver con la teoría de que, hasta que se observen, la ubicación y la velocidad de entidades como los electrones solo pueden existir como una "probabilidad". 

Bohr, en particular,  enfatizó que las predicciones cuánticas basadas en la probabilidad pueden describir con precisión las acciones físicas en el mundo real. En lo que más tarde se denominó la interpretación de Copenhague, propuso que, si bien las ecuaciones de onda describían la probabilidad de dónde se podían encontrar entidades como los electrones, estas entidades no existían realmente como partículas a menos que fueran observadas. En palabras de Bohr, no tenían una "realidad independiente" en el sentido físico ordinario.

Describió que los eventos que tienen lugar a niveles atómicos pueden alterar el resultado de la interacción cuántica. Según Bohr, un sistema se comporta como una onda o una partícula según el contexto, pero no se puede predecir lo que hará.

Einstein, por el contrario, argumentó que un electrón era un electrón, incluso si nadie lo miraba, que partículas como los electrones tenían realidad independiente, lo que provocó su famosa afirmación de que "Dios no juega a los dados con el universo".

Einstein y Bohr debatirían sus puntos de vista hasta la muerte de Einstein, tres décadas después, pero siguieron siendo colegas y buenos amigos. Einstein argumentó que la interpretación de Copenhague estaba incompleta. Teorizó que podría haber variables o procesos ocultos subyacentes a los fenómenos cuánticos. 

En 1935, Einstein, junto con sus colegas físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, publicaron un artículo sobre lo que se conocería como la paradoja de Einstein-Boris-Podolsky (EPR). La paradoja EPR descrita en el artículo volvió a plantear dudas sobre la teoría cuántica.

El artículo de EPR presentó valores predeterminados de momento y velocidad de partícula y sugirió que la descripción de la realidad física proporcionada por la función de onda en la teoría cuántica es incompleta y, por lo tanto, la realidad física no puede derivarse de la función de onda o en el contexto de la teoría mecánica-cuántica.

Paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR). Fuente: Universe Review

El mismo año, Bohr respondió a las afirmaciones de Einstein. En su respuesta, publicada en Physical Review, Bohr demostró que los valores predeterminados de la velocidad y el momento de la segunda partícula, según la paradoja EPR, eran incorrectos. También argumentó que la paradoja no pudo justificar la incapacidad de la mecánica cuántica para explicar la realidad física.

¿Vivimos en un mundo cuántico?   

 La comprensión de las partículas elementales y su comportamiento ayudó a crear innovaciones revolucionarias en la salud, la comunicación, la electrónica y varios otros campos. Además, existen numerosas tecnologías modernas que operan según los principios mencionados en la física cuántica. 

Fuente: Antonio Saba / Wikimedia Commons

Equipo basado en láser

La tecnología láser involucra equipos que emiten luz por medio de un proceso llamado amplificación óptica. Los equipos láser funcionan según el principio de emisión de fotones y liberan la luz con una longitud de onda bien definida en un haz muy estrecho. Por lo tanto, los rayos láser funcionan alineados con las teorías (como el efecto fotoeléctrico) mencionadas en la mecánica cuántica.

Un informe publicado en 2009 revela que los láseres ultravioleta extremos cuando golpean una superficie metálica pueden hacer que los electrones se muevan fuera del átomo, se dice que este resultado extiende aún más el efecto fotoeléctrico de Einstein en el contexto de los láseres superintensos.   


Máquinas y dispositivos electrónicos

Una máquina de resonancia magnética. Fuente: NIH / Flickr

Desde dispositivos de almacenamiento de memoria flash como unidades USB hasta equipos de laboratorio complejos como microscopios electrónicos, la comprensión de la mecánica cuántica condujo a innumerables invenciones modernas. Diodos emisores de luz, interruptores eléctricos, transistores, computadoras cuánticas, etc. son ejemplos de algunos dispositivos muy útiles que resultaron de la llegada de la física cuántica. 

Entendamos esto por el ejemplo de la máquina de resonancia magnética (MRI), este equipo médico es muy útil para diagnosticar el cerebro y otros órganos del cuerpo. La resonancia magnética funciona según el principio del electromagnetismo, tiene un fuerte campo magnético que utiliza el giro de los protones en los átomos de hidrógeno para analizar la composición de diferentes tejidos.

La resonancia magnética alinea todos los protones en el cuerpo según su giro, debido al campo magnético, los protones absorben energía y emiten la misma (teoría cuántica), el escáner de resonancia magnética utiliza las señales de energía emitidas recibidas de todas las moléculas de agua para proporcionar una imagen detallada de las partes internas del cuerpo.  

Rayos X

Utilizados en diagnóstico médico, inspección de fronteras, tomografía industrial, tratamiento del cáncer y para muchos otros propósitos, los rayos X son una forma de radiación electromagnética. Si bien el descubrimiento de los rayos X es anterior a la mecánica cuántica, la teoría de la mecánica cuántica ha permitido el uso de los rayos X de manera práctica. 

Se puede considerar que un haz de rayos X consiste en una corriente de cuantos. Estos cuantos se proyectan fuera del objetivo del tubo de rayos X y, al penetrar en el tejido, se produce un efecto proporcional al número de cuantos multiplicado por la energía transportada por cada uno de tales cuantos de energía. 

Los electrones emitidos también emiten fotones, que  pueden penetrar la materia y formar su imagen en la pantalla de rayos X. Por lo tanto, las partículas elementales mencionadas en la mecánica cuántica interactúan con la energía de los rayos X para ofrecer el aspecto interior de un objeto.  

Aplicaciones basadas en fluorescencia 

La fluorescencia se refiere a la emisión de luz bajo exposición a los rayos UV que tiene lugar cuando un electrón alcanza un estado cuántico superior y emite fotones, las lámparas fluorescentes y los espectrómetros funcionan sobre la base de la teoría cuántica. También se sabe que varios minerales como Aragonita, Calcita y Fluorita exhiben fluorescencia. 

Fuente: WPI

La fluorescencia también se usa para iluminar gemas sintéticas y diamantes, los fabricantes de joyas usan este fenómeno para crear piedras artificiales de imitación que se ven más brillantes y hermosas que las piedras originales naturales.   


Aparte de estas aplicaciones, la mecánica cuántica ha contribuido a nuestra comprensión de muchas áreas de la tecnología , los sistemas biológicos y las fuerzas y cuerpos cósmicos. Si bien quedan varias preguntas importantes en  la física cuántica, los conceptos centrales, que definen el comportamiento de la energía, las partículas y la materia, se han mantenido constantes.

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