La mecánica cuántica, o física cuántica, es un conjunto de leyes científicas que describen el extraño comportamiento de los fotones, electrones y otras partículas subatómicas que forman el universo. En las escalas más pequeñas, el universo se comporta de manera muy diferente del mundo cotidiano que observamos a nuestro alrededor. La mecánica cuántica es la rama de la física que describe este extraño comportamiento de las partículas microscópicas: átomos, electrones, fotones y casi todo lo demás en el reino molecular y submolecular.
Desarrollada en la primera mitad del siglo XX, los resultados de la mecánica cuántica son a menudo extremadamente extraños y contraintuitivos. Sin embargo, estudiarlos ha permitido a los físicos obtener una comprensión más profunda de la naturaleza del universo y podría algún día cambiar la forma en que los humanos procesamos la información. Live Science ha presentado los principales conceptos clave de la física cuántica.
¿En qué se diferencia la mecánica cuántica de la física clásica?
A escala de átomos y electrones, muchas de las ecuaciones de la mecánica clásica que describen el movimiento y la interacción de cuerpos en tamaños y velocidades ordinarios dejan de ser útiles.
En la mecánica clásica, los objetos existen en un lugar específico en un momento específico. En la mecánica cuántica, los objetos existen en una neblina de probabilidad; tienen una cierta probabilidad de estar en el punto A, otra probabilidad de estar en el punto B, y así sucesivamente.
A diferencia de la famosa teoría de la relatividad de Albert Einstein, que se desarrolló aproximadamente en la misma época, los orígenes de la mecánica cuántica no pueden atribuirse a un solo científico. Más bien, varios científicos contribuyeron al marco, que gradualmente ganó aceptación y verificación experimental entre fines del siglo XIX y 1930, según la Universidad de St. Andrews en Escocia.
En 1900, el físico alemán Max Planck intentaba explicar por qué los objetos a determinadas temperaturas, como el filamento de una bombilla a 800 grados Celsius, brillan de un color determinado, en este caso, rojo, según el Perimeter Institute. Planck se dio cuenta de que las ecuaciones utilizadas por el físico Ludwig Boltzmann para describir el comportamiento de los gases podían traducirse en una explicación de esta relación entre la temperatura y el color. El problema fue que el trabajo de Boltzmann se basaba en el hecho de que cualquier gas está compuesto de partículas diminutas, lo que significa que la luz también está compuesta de fragmentos discretos.
Esta idea contradecía las ideas sobre la luz de la época, cuando la mayoría de los físicos creían que la luz era una onda continua en lugar de una partícula diminuta. El propio Planck no creía en átomos o partículas discretas de luz, pero su concepto recibió apoyo en 1905 cuando Einstein publicó un artículo, «Sobre una visión heurística de la emisión y transformación de la luz».
Einstein imaginó que la luz se movía no como una onda, sino como una especie de «cuantos de energía». Este paquete de energía, sugirió Einstein en su artículo, puede ser «absorbido o generado sólo como un todo», específicamente cuando el átomo «salta» entre velocidades vibracionales cuantificadas. De aquí proviene la parte “cuántica” de la mecánica cuántica.
Con esta nueva forma de entender la luz, Einstein ofreció información sobre el comportamiento de nueve fenómenos en su artículo, incluidos los colores específicos que Planck describió como emitidos por el filamento de una bombilla. También explicó cómo ciertos colores de luz pueden arrancar electrones de las superficies metálicas, un fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.
Dualidad onda-partícula
En la mecánica cuántica, las partículas a veces pueden existir como ondas y a veces como partículas. El ejemplo más famoso de esto es el experimento de la doble rendija, en el que partículas como electrones se disparan a una placa con dos rendijas cortadas, detrás de la cual hay una pantalla que se ilumina cuando un electrón la golpea. Si los electrones fueran partículas, crearían dos líneas brillantes al impactar la pantalla después de pasar por una u otra rendija, según un popular artículo en Nature.
A continuación se muestra un diagrama de un experimento de doble rendija en el que los electrones crean un patrón de onda utilizando dos rendijas. arrendajo gris, Shutterstock
En cambio, cuando se realiza el experimento, se forma un patrón de interferencia en la pantalla. Este patrón de bandas oscuras y claras sólo tiene sentido si los electrones son ondas con crestas (puntos altos) y valles (puntos bajos) que pueden interferir entre sí. Incluso cuando un solo electrón pasa a través de las rendijas, aparece un patrón de interferencia: un efecto similar a la interferencia de un solo electrón consigo mismo.
En 1924, el físico francés Louis de Broglie utilizó las ecuaciones de la teoría de la relatividad especial de Einstein para demostrar que las partículas pueden exhibir propiedades ondulatorias y las ondas pueden exhibir propiedades corpusculares, un descubrimiento por el cual recibió el Premio Nobel unos años más tarde.
Los átomos en la mecánica cuántica
En la década de 1910, el físico danés Niels Bohr intentó describir la estructura interna de los átomos utilizando la mecánica cuántica. En ese momento, se sabía que un átomo consiste en un núcleo pesado, denso y con carga positiva, rodeado por un enjambre de electrones diminutos, ligeros y con carga negativa. Bohr colocó los electrones en órbitas alrededor del núcleo, como planetas en un sistema solar subatómico, excepto que sólo podían tener ciertas distancias orbitales predeterminadas. Al saltar de una órbita a otra, un átomo podría recibir o emitir radiación con ciertas energías que reflejarían su naturaleza cuántica.
Poco después, los dos científicos, trabajando independientemente y utilizando distintas líneas de pensamiento matemático, crearon una imagen cuántica más completa del átomo, según la Sociedad Americana de Física. En Alemania, el físico Werner Heisenberg logró esto desarrollando la “mecánica matricial”. El físico austro-irlandés Erwin Schrödinger desarrolló una teoría similar llamada «mecánica ondulatoria». En 1926, Schrödinger demostró que estos dos enfoques eran equivalentes.
El modelo atómico de Heisenberg-Schrödinger, en el que cada electrón actúa como una onda alrededor del núcleo del átomo, reemplazó al modelo anterior de Bohr. En el modelo atómico de Heisenberg-Schrödinger, los electrones obedecen a una «función de onda» y ocupan «orbitales» en lugar de órbitas. A diferencia de las órbitas circulares del modelo de Bohr, los orbitales atómicos vienen en una variedad de formas, desde esferas hasta mancuernas y margaritas, según el sitio web explicativo del químico Jim Clark.
La paradoja del gato de Schrödinger
El gato de Schrödinger es un experimento mental a menudo malinterpretado que describe las dudas que tenían algunos de los primeros desarrolladores de la mecánica cuántica sobre sus resultados. Aunque Bohr y muchos de sus estudiantes creían que la mecánica cuántica sugería que las partículas no tenían propiedades bien definidas hasta que eran observadas, Schrödinger y Einstein no podían creer en tal posibilidad porque conduciría a conclusiones absurdas sobre la naturaleza de la realidad.
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En 1935, Schrödinger propuso un experimento en el que la vida o la muerte de un gato dependería del giro aleatorio de una partícula cuántica, cuyo estado permanecería invisible hasta que se abriera la caja. Schrödinger esperaba demostrar lo absurdo de las ideas de Bohr con un ejemplo de la vida real que dependía de la naturaleza probabilística de una partícula cuántica pero que producía un resultado sin sentido.
Según la interpretación de la mecánica cuántica de Bohr, hasta que se abrió la caja, el gato estaba en una posición dual imposible: estaba vivo y muerto al mismo tiempo. (Ningún gato real ha sido sometido jamás a un experimento así.) Tanto Schrödinger como Einstein creían que esto ayudaba a demostrar que la mecánica cuántica era una teoría incompleta y que eventualmente sería reemplazada por una teoría que concordara con la experiencia ordinaria.
Incluso hoy en día, los físicos luchan por explicar por qué las partículas subatómicas aparentemente pueden existir en una superposición de estados diferentes, pero las grandes estructuras, como el propio universo, aparentemente no pueden. Las modificaciones propuestas a las ecuaciones de Schrödinger podrían ayudar a resolver esta tensión, pero hasta ahora ninguna de ellas ha sido ampliamente aceptada por la comunidad científica.
Entrelazamiento cuántico
Schrödinger y Einstein ayudaron a resaltar otro resultado extraño de la mecánica cuántica que ninguno de ellos pudo comprender completamente. En 1935, Einstein, junto con los físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, demostró que dos partículas cuánticas podían ajustarse de modo que sus estados cuánticos siempre estuvieran correlacionados entre sí, según la Enciclopedia de Filosofía de Stanford. Las partículas esencialmente siempre han “conocido” las propiedades de las demás. Esto significa que medir el estado de una partícula indicará instantáneamente el estado de su gemela, sin importar cuán alejadas estén, un resultado que Einstein llamó «acción fantasmal a distancia», pero que Schrödinger pronto denominó «entrelazamiento».
Obra de arte conceptual de un par de partículas o eventos cuánticos entrelazados (izquierda y derecha) que interactúan a distancia. El entrelazamiento cuántico es una de las consecuencias de la teoría cuántica. Las dos partículas parecerán estar conectadas a través del espacio y el tiempo, y los cambios en una partícula (como una observación o medición) afectarán a la otra. Este efecto instantáneo parece ser independiente tanto del espacio como del tiempo, lo que significa que en el ámbito cuántico el efecto puede preceder a la causa. MARK GARLICK/BIBLIOTECA DE FOTOGRAFÍA CIENTÍFICA
Se ha demostrado que el entrelazamiento es uno de los aspectos más fundamentales de la mecánica cuántica y ocurre en el mundo real todo el tiempo. Los investigadores realizan con frecuencia experimentos que utilizan el entrelazamiento cuántico, y el fenómeno es parte de la base del campo emergente de la computación cuántica.
Computación cuántica
A diferencia de las computadoras clásicas, que procesan datos utilizando bits binarios que pueden estar en uno de dos estados (0 o 1), las computadoras cuánticas utilizan partículas como electrones o fotones. Estos bits cuánticos, o qubits, son una superposición de 0 y 1, lo que significa que pueden existir en múltiples estados a la vez.
Fotografía de una computadora cuántica dorada. John D/Getty
Esta superposición permite a las computadoras cuánticas realizar cálculos en paralelo, procesando todos los estados de qubit simultáneamente. Además, el entrelazamiento cuántico permite que múltiples qubits intercambien información e interactúen simultáneamente, independientemente de la distancia entre las partículas.
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Aunque la superposición y el entrelazamiento cuánticos hacen que el potencial computacional de los ordenadores cuánticos sea mucho mayor que el de los ordenadores clásicos, el campo aún tiene un largo camino por recorrer. Actualmente, las computadoras cuánticas son demasiado pequeñas, demasiado difíciles de mantener y demasiado propensas a errores para competir con las mejores computadoras clásicas. Sin embargo, muchos expertos esperan que esto cambie algún día a medida que el campo evolucione.
Mecánica cuántica y relatividad general
Actualmente, los físicos no tienen una explicación completa de todas las partículas y fuerzas observadas en el universo, lo que a menudo se denomina teoría del todo. La relatividad de Einstein describe cosas grandes y masivas, mientras que la mecánica cuántica describe cosas pequeñas e inmateriales. Estas dos teorías no son del todo incompatibles, pero nadie sabe cómo hacerlas encajar.
Una imagen del «anillo de Einstein» tomada por el telescopio espacial Hubble. Este fenómeno cósmico ocurre cuando la enorme gravedad de un objeto en primer plano dobla la luz de un objeto en segundo plano, como predijo Albert Einstein. ESA/Hubble/NASA
Muchos investigadores han intentado crear una teoría de la gravedad cuántica que introduciría la gravedad en la mecánica cuántica y explicaría todo, desde los reinos subatómicos hasta los supergalácticos. Hay muchas propuestas sobre cómo hacer esto, como por ejemplo crear una partícula cuántica hipotética para la gravedad llamada gravitón, pero hasta ahora ninguna teoría ha podido ajustarse a todas las observaciones de los objetos de nuestro universo. Otra propuesta popular, la teoría de cuerdas, que postula que la mayoría de las entidades fundamentales son pequeñas cuerdas que vibran en muchas dimensiones, ha sido menos aceptada por los físicos porque se ha encontrado poca evidencia que la respalde. Otros investigadores también han trabajado en teorías que involucran la gravedad cuántica de bucles, en la que tanto el tiempo como el espacio existen en fragmentos discretos y minúsculos, pero hasta ahora ninguna idea ha ganado mucho terreno entre la comunidad de física.
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