Quizás no todo el mundo sepa qué es la física cuántica. Un tema muy debatido, fascinante y capaz de revolucionar la idea que tenemos del universo que nos rodea. De hecho, algunas personas han adoptado los descubrimientos cuánticos como una forma de ver la existencia. Entonces, ¿qué hay detrás de esta disciplina relativamente nueva? Os explicamos con detalle, Qué es la física cuántica, propiedades, para qué sirve y ejemplos.
Qué es la física cuántica, propiedades, para qué sirve y ejemplos
La física cuántica es también conocida como teoría cuántica o mecánica. dado que se basa en una teoría de la mecánica que se centra en los fenómenos de la escala de longitudes y la energía atómica y subatómica, dando nueva vida a las teorías anteriores, que ahora se consideran obsoletas.
¿Cuál es la diferencia entre la física clásica y la física cuántica? Esta última describe la radiación y la materia como un fenómeno dual: onda y partícula. Por tanto, el dualismo onda-partícula puede considerarse uno de los rasgos característicos de esta mecánica. La relación entre ondas y partículas es estudiada y confirmada por dos principios:
- Principio de complementariedad
- Principio de incertidumbre de Heisenberg (este último formaliza el primero).
Ciertamente podemos afirmar que tras el descubrimiento de la relatividad y el nacimiento de la física clásica, estas intuiciones dieron origen a una nueva era, la de la física moderna. Para estudiar la mecánica cuántica de manera integral, se requiere una integración entre diferentes sectores de la física:
- Física atómica
- Física de la materia
- Física nuclear
- Partículas físicas
Pero, ¿Cómo nació la física cuántica?
¿Cómo se originó la física cuántica o física moderna?
La física clásica, a finales del siglo XIX, fue incapaz de estudiar la materia a nivel microscópico, más allá de la medida del átomo por así decirlo. Por tanto, no se podía investigar la realidad experimental, especialmente los fenómenos relacionados con la luz y el electrón. Pero el hombre siempre ha querido ir más allá y su curiosidad innata le ha llevado a investigar más.
En los primeros años del siglo XX, los descubrimientos que surgieron de las escalas atómicas desafiaron los viejos supuestos. Así nació la teoría cuántica, gracias a un término acuñado por el estudioso Max Planck a principios del siglo XX. El concepto básico es que las magnitudes y cantidades microscópicas de algunos sistemas físicos pueden variar incluso de forma no continua pero discreta.
Pero, ¿gracias a qué descubrimientos anteriores fue posible llegar a estas conclusiones?
- 1803: reconocimiento de los átomos como elemento constituyente de moléculas
- 1860: la tabla periódica agrupa los átomos por propiedades químicas
- 1874: descubrimiento del electrón y el núcleo
- 1887: estudios sobre radiación ultravioleta
Esta última fecha es la que quizás marca la principal línea divisoria. El fenómeno de interacción entre la radiación electromagnética y la materia (efecto fotoeléctrico) desapareció para las frecuencias de radiación inferiores a un valor umbral. Con el efecto fotoeléctrico, la energía de los electrones era proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética. La teoría de las ondas de Maxwell ya no era suficiente para explicar ciertos fenómenos.
Origen de la teoría cuántica
Para proporcionar un resumen de lo que ha contribuido al nacimiento de la física cuántica, podemos enumerar más fechas importantes, vinculadas a descubrimientos y conocimientos que sirven para rastrear la historia de la mecánica cuántica:
- 1900: Planck introduce la idea de que la energía se cuantifica, se absorbe y se emite.
- 1905: Einstein demuestra el efecto fotoeléctrico (la energía del campo electromagnético es transportada por cuantos de luz (fotones)
- 1913: Bohr cuantifica el movimiento orbital del electrón.
- 1915: Sommerfeld introduce nuevas reglas, generalizando los métodos de cuantificación.
Pero fue a partir de 1924 cuando se sentaron las bases de lo que ahora conocemos como teoría cuántica. En esta fecha Louise de Brogie elabora una teoría de las ondas materiales. Al año siguiente toma el relevo el nombre de Heinsenberg, quien formula la mecánica de las matrices, al que seguirá Dirac en 1927 con la teoría especial de la relatividad. Hasta 1982, año en que el Instituto Óptico de Orsay terminó su investigación sobre la violación de la desigualdad de Bell, los descubrimientos se sucedieron uno tras otro.
¿Cuáles son los conceptos básicos de física cuántica?
Entre los descubrimientos más fascinantes encontramos:
- dualidad onda-partícula
- principio de complementariedad
- principio de incertidumbre
Analicémoslos uno a uno para profundizar aún más en esta ciencia.
Dualismo onda-partícula
Antes solo existía la física clásica. Este se dividió en dos grupos de leyes:
- Leyes de Newton
- Leyes de Maxwell
El primer grupo de leyes describe el movimiento y la dinámica de los cuerpos mecánicos, mientras que el segundo grupo describe la tendencia y los vínculos entre los sujetos que forman parte de un campo electromagnético: la luz y las ondas de radio, por ejemplo.
Algunos experimentos sugirieron que la luz podría considerarse una onda. Pero no fueron confirmados. En cambio, la idea de que la luz tenía una naturaleza corpuscular (de Einstein y Planck) y que, por tanto, estaba formada por fotones, adquirió cada vez más legitimidad. Gracias a Bohr se entendió que la naturaleza de la materia y la radiación eran:
- Que sea una ola
- Que sea un cuerpo
Ya no era posible pensar en términos de uno u otro, sino en una perspectiva de complementariedad. El principio de complementariedad de Bohr enfatiza exactamente esto, que los fenómenos que ocurren a escalas atómicas tienen propiedades duales, tanto de ondas como de partículas.
Principio de incertidumbre de Heinsenberg
Como señalamos anteriormente en 1927, Heinsenberg demostró que algunos pares de cantidades físicas, como la velocidad y la posición, son imposibles de registrar simultáneamente sin cometer errores. La precisión puede afectar a una de las dos medidas, pero no a ambas, porque un fenómeno como la velocidad provoca consecuencias en la otra e invalida la medida.
Para localizar la posición del electrón, será necesario iluminar un fotón. Cuanto más corta sea la longitud de onda del fotón, más precisa será la medición de la posición del electrón.
En física cuántica, las bajas frecuencias de onda del fotón transportan más y más energía y velocidad de la que absorbe el electrón. Al mismo tiempo, será imposible establecer el valor de estas medidas.
¿Cuáles son las aplicaciones de la física cuántica?
Tenemos que agradecer la teoría cuántica si ahora tenemos acceso a tecnologías de vanguardia. Desde la electrónica hasta la tecnología de la información, hay muchos dispositivos basados en intuiciones cuánticas modernas. Algunos claros ejemplos pueden ser:
- Láser
- Microscopio electrónico
- Química computacional
- Resonancia magnética nuclear
Pensemos además en las CPU de nuestros ordenadores, capaces de contener miles de millones de semiconductores en unos pocos milímetros, que amplifican señales y que han demostrado ser indispensables. Sin esto, no podríamos avanzar hacia un futuro de investigación y evolución.
El tema de la ciberseguridad también está ampliando horizontes para entender si será posible explotar la criptografía cuántica para obtener y transmitir información más segura y difícil de interceptar.
Es muy probable que veamos computadoras cuánticas en unas pocas décadas, con un rendimiento significativamente mejor que los modelos actuales.
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