Origen, objetivos y representantes de la física cuántica

Teoría Cuántica

La física cuántica, también conocida como mecánica ondulatoria, es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas, en torno a 1.000 átomos, que empiezan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula, o su energía, o conocer simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula (descrito según el principio de incertidumbre de Heisenberg).

Surgió a lo largo de la primera mitad del siglo XX en respuesta a los problemas que no podían ser resueltos por medio de la física clásica.

Los dos pilares de esta teoría son:

• Las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, denominado quantum (cuanto) de energía.
• La posición de las partículas viene definida por una función que describe la probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante

El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales, inexplicables con las herramientas de la mecánica clásica, como los siguientes:

Según la Física Clásica, la energía radiada por un cuerpo negro, objeto que absorbe toda la energía que incide sobre él, era infinita, lo que era un desastre. Esto lo resolvió Max Plank mediante la cuantización de la energía, es decir, el cuerpo negro tomaba valores discretos de energía cuyos paquetes mínimos denominó “quantum”. Este cálculo era, además, consistente con la ley de Wien (que es un resultado de la termodinámica, y por ello independiente de los detalles del modelo empleado). Según esta última ley, todo cuerpo negro irradia con una longitud de onda (energía) que depende de su temperatura.

La dualidad onda corpúsculo, también llamada onda partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. Actualmente se considera que la dualidad onda - partícula es un "concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa".

Aplicaciones de la Teoría Cuántica

El marco de aplicación de la Teoría Cuántica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica (en el diseño de

transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica (láseres, tomógrafos, etc.), en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano.

Un nuevo concepto de información, basado en la naturaleza cuántica de las partículas elementales, abre posibilidades inéditas al procesamiento de datos. La nueva unidad de información es el qubit (quantum bit), que representa la superposición de 1 y 0, una cualidad imposible en el universo clásico que impulsa una criptografía indescifrable, detectando, a su vez, sin esfuerzo, la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de transmisión. La otra gran aplicación de este nuevo tipo de información se concreta en la posibilidad de construir un ordenador cuántico, que necesita de una tecnología más avanzada que la criptografía, en la que ya se trabaja, por lo que su desarrollo se prevé para un futuro más lejano.

En la medicina, la teoría cuántica es utilizada en campos tan diversos como la cirugía láser, o la exploración radiológica. En el primero, son utilizados los sistemas láser, que aprovechan la cuantificanción energética de los orbitales nucleares para producir luz monocromática, entre otras característcias. En el segundo, la resonancia magnética nuclear permite visualizar la forma de de algunos tejidos al ser dirigidos los electrones de algunas sustancias corporales hacia la fuente del campo magnético en la que se ha introducido al paciente

Otra de las aplicaciones de la mecánica cuántica es la que tiene que ver con su propiedad inherente de la probabilidad. La Teoría Cuántica nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión.

Cualquier suceso, por muy irreal que parezca, posee una probabilidad de que suceda, como el hecho de que al lanzar una pelota contra una pared ésta pueda traspasarla. Aunque la probabilidad de que esto sucediese sería infinitamente pequeña, podría ocurrir perfectamente.

La teleportación de los estados cuánticos (qubits) es una de las aplicaciones más innovadoras de la probabilidad cuántica, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas técnicas. En 2001, un equipo suizo logró teleportar un fotón una distancia de 2 km, posteriormente, uno austriaco logró hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m., y lo último ha sido teleportar un átomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia...

El creador de la Física cuántica

A comienzos del siglo XX, con los estudios de energía atómica, nació la Física moderna. Uno de sus máximos representantes, el físico alemán Max Planck, creó el concepto de “cuanto”, con lo que dio por inaugurada una nueva especialidad, la Física cuántica, clave en el futuro

SARA MORENO 

La Física moderna surgió a comienzos del siglo XX, cuando el mundo atómico y de las radiaciones irrumpía con fuerza en todos los estudios. Estaba naciendo la llamada Física cuántica, dominadora del siglo pasado y con un gran futuro por delante. Su creador, el físico alemán Max Planck, ocupa un primerísimo lugar en la Ciencia.

A finales del siglo XIX, un problema importante de la Física era explicar cuánta radiación emitía un cuerpo caliente. Se sabía que la intensidad de esta radiación aumentaba con la longitud de onda hasta un valor máximo, pero luego disminuía. También se sabía que esas radiaciones se producían por las vibraciones de los átomos. ¿Qué quería Planck? Pues buscar una ecuación que describiera cuánta radiación se emitía para todas las longitudes de onda imaginables. El problema se conocía como la radiación del cuerpo negro. ¿Y qué es este cuerpo negro? Es un emisor ideal, que emite y absorbe energía a todas las longitudes de onda.

El físico alemán, en 1900, dijo que la energía no se emite en forma continua, sino en pequeños paquetes (que llamó cuantos), con unas longitudes de onda determinadas. Entonces Planck supuso que cuanto mayor era la energía emitida, más pequeña era la longitud de onda de la radiación. Y lo que hizo fue una ecuación que relacionaba la frecuencia de esta radiación con la energía a través de una constante, la llamada constante de Planck, representada con la letra h y cuyo valor es de 6,624 por 10 elevado a menos 34 julios/segundo.

Esta ecuación es básica para la formulación de la Física cuántica, una herramienta muy poderosa para entender y predecir toda clase de fenómenos físicos y que está en la base de la última tecnología.

Huella

La importancia de cuantificar la radiación tuvo su recompensa: un Premio Nobel

La Física cuántica predice que el todo es bastante más que la suma de las partes. Max Planck, un catedrático de Física teórica obsesionado al comienzo por la termodinámica, nunca se imaginaría que el trabajo en el que desvelaba su ley -la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal h- supusiera el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la Física, campo que serviría para los futuros estudios de la energía atómica. Por él le dieron el Premio Nobel de Física en 1918.

Después reconoció la importancia de las ideas que Einstein expuso sobre la cuantificación de la radiación electromagnética. Con este genio colaboró precisamente a lo largo de su carrera. A partir del excelente trabajo de Planck, muchos investigadores aplicaron el concepto de saltos energéticos -la energía se emite en forma de pequeños paquetes- a los fenómenos microscópicos de los átomos y de la radiación.

En la actualidad, al ser aplicada a átomos y moléculas, la mecánica cuántica es también la base y el futuro de la química moderna, pues permite fundamentar de manera rigurosa el enlace químico. En el campo de la física fundamental, se han explorado distancias hasta una cienmillonésima parte de las distancias atómicas, sin que se hayan detectado desviaciones de la mecánica cuántica. Y esto es muy importante para la tecnología más puntera.

Max Planck murió en 1943, dejándonos algunos libros importantes. Sobre la lápida de su tumba aparece grabada la constante de Planck.