Lo que le debemos a la física cuántica

Hacia finales del siglo XIX, la física se enfrentaba a uno de sus más grandes estancamientos en la ciencia: después de los avances de la electrostática, la electrodinámica y la termodinámica, se pensaba que ya se habían conseguido todos los conocimientos posibles en este campo de estudio.

Sin embargo, este panorama cambió a comienzos del siglo XX gracias a los aportes con la teoría cuántica y de relatividad de Max Planck y Albert Einstein respectivamente, quienes demostraron que aún quedaba mucho por descubrir.

De ahí que la mecánica cuántica sea una de las grandes revoluciones de la física en esa época. Con ella llegaron nuevas leyes que describían al mundo que conocemos y cosas como el principio de incertidumbre o la probabilística se volvieron fundamentales para su estudio.

Pero ¿qué es la mecánica cuántica?

Esta se ocupa del comportamiento de la materia y de la luz a escalas subatómicas. Trata de describir y explicar las propiedades de las moléculas, átomos y sus constituyentes, como los electrones, protones, neutrones y otras partículas conocidas como gluones y quarks.

A nivel fundamental, tanto la materia como la radiación poseen características de ondas y partículas. La incorporación gradual de estas ideas fue esencial para permitir el posterior desarrollo de lo que hoy conocemos como mecánica cuántica.

La teoría corpuscular de la luz

Durante el siglo XVIII, la mayoría de los físicos creía que la luz estaba conformada por partículas, a las que llamaron corpúsculos.

Estos corpúsculos corresponden a un flujo de partículas sin masa que son emitidas por una fuente luminosa y que viajan a gran velocidad. Gracias a este antecedente, nació la teoría ondulatoria de la luz

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Fue ahí cuando Thomas Young demostró en su famoso experimento de la doble rendija que si un haz de luz monocromática pasa a través de un par de rendijas, se forman otros dos haces de luz, los cuales interfieren. Finalmente, surge un patrón alternado de bandas brillantes y oscuras que aparecen en una pantalla. Estas bandas se podrían explicar con una teoría ondulatoria de la luz.

Imagen 1. Experimento de la doble rendija de Thomas Young. Según esta teoría, la formación de una banda brillante se debe a que las crestas de las ondas o los valles de las ondas que producen las rendijas llegan juntas a la pantalla, mientras que las bandas oscuras se producen debido a que la cresta de una onda llega al mismo tiempo que la depresión (valle) de la otra, cancelando los efectos de ambos haces de luz.

La Ley de Planck

Dado que todos los cuerpos irradian energía electromagnética en forma de calor, cuanto más caliente está el cuerpo, más corta será la longitud de onda para obtener la máxima radiación. Esto se debe a que la energía irradiada por un cuerpo en las distintas longitudes de onda depende de la temperatura de dicho cuerpo para alcanzar su máximo.

En su momento, los científicos trataron de calcular la distribución de la radiación de un cuerpo negro utilizando las ideas de la física clásica, pero no tuvieron éxito alguno. ¿Y qué es un cuerpo negro? Es simplemente un cuerpo o superficie ideal hipotético que absorbe y re-emite toda la energía radiante que cae sobre él.

Sin embargo, aquí es donde sale a la carga la figura de Max Planck.

A inicios del 1900, Planck supuso que la energía radiante no se emite de manera continua, sino en paquetes discretos llamados cuantos. Esto le dio un buen empujón a la física moderna y a la teoría cuántica, estableciendo la afamada constante universal que todavía rige a estos experimentos hasta la actualidad.

¿Está vivo o está muerto?

Si hablamos de historia de los principios de la mecánica cuántica, no podemos dejar afuera al experimento planteado por Erwin Schrödinger.

A continuación, se presentan los ensayos más significativos y sus consecuencias:

El clásico gato de Schrödinger es uno de los experimentos teóricos más connotados y demostrativos de la dualidad existente en el mundo cuántico junto al de la doble rendija.

En él se propone la idea de encerrar a un gato dentro de una caja completamente opaca que estará conectada a un detector de electrones. En el caso de que el electrón sea detectado, este activará un mecanismo que está conectado a un martillo que romperá una botella de veneno y le dará muerte al pobre gato.

Sin embargo, en el caso contrario de que el electrón siga un camino distinto a la ubicación del detector, el mecanismo no se activará y el animal vivirá.

Hasta el momento, lo planteado es una simple probabilística que nos dice que las opciones son 50 a 50: al abrir la caja, el gato puede estar vivo o muerto. Pero es allí cuando entra en juego la dualidad onda-partícula. El electrón -al comportarse de ambas formas- puede seguir uno o varios caminos al mismo tiempo. A esto le llamamos superposición cuántica.

De ahí que se diga que el gato está vivo y muerto al mismo tiempo hasta que nosotros abramos la caja para comprobar su estado.

Imagen 2. Experimento teórico del gato de Erwin Schrödinger.

Nuevas conclusiones gracias a la cuántica

Los avances logrados en el alcance de la física, gracias a la mecánica cuántica, abrieron la puerta a un nuevo entendimiento de nuestro universo y su composición más fundamental.

Los paquetes de energía (cuantos) o la comprensión de la luz por la teoría de Schrödinger y el experimento de la doble rendija, son solo un puñado de los hitos más importantes que revolucionaron un campo de estudio regido por ideas clásicas desde la época de Isaac Newton.

De no ser por ellos, cuestiones como las ecuaciones de Dirac -que permitieron llegar a la conclusión de la antimateria- o los descubrimientos de la física nuclear -que logran sintetizar nuevos elementos por medio de la modificación de los átomos- simplemente no existirían.