¿Qué es la física cuántica?

La física, o mecánica cuántica, estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas que empiezan a notarse extraños efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula o simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula.

Los principios básicos de la física cuántica son fundamentalmente dos. El primero es que las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, es el llamado quantum de energía. El segundo es que la posición teórica de las partículas está dada por una función probabilística, es decir que no es una certeza sino más bien una posibilidad.

La mecánica cuántica surgió en la primera mitad del siglo XX en respuesta a algunos problemas que no podían ser resueltos por los principios de la física clásica, que comenzaba a perder credibilidad. No es casual que la mecánica cuántica se haya desarrollado de forma más o menos contemporánea (pero paralela) a la teoría de la relatividad, que también  enfrenta algunos de losprincipios fundamentales de la física clásica.

Hasta el siglo XX se creía que la energía era emitida, propagada y absorbida de forma continua e infinita y fue Max Planck quien por primera vez planteó que la energía radiada de un cuerpo negro no era continua sino discreta. Es decir que la energía se propaga y absorbe en cantidades mínimas, o cuantos, de allí el nombre de quantum.

Este descubrimiento se dio de forma conjunta a uno de los hallazgos más importantes de las ciencias físicas: la dualidad onda-partícula, que demostró que la luz y la materia pueden poseer propiedades de partícula tanto como propiedades ondulatorias.

Los avances de la teoría cuántica permitieron aplicaciones en distintos ámbitos como laelectrónica (transistores, microprocesadores y componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano. Enmedicina la teoría cuántica es utilizada en campos tan diversos como la cirugía láser, o la exploración radiológica.

A modo de ejemplo y a la vez un dato curioso: según el segundo principio de la mecánica cuántica es posible que, por ejemplo, al patear una pelota la elevemos hasta la estratósfera o más allá. ¿Por qué? Porque básicamente, por muy pequeña que sea, existe una posibilidad de que suceda, porque la posición de la materia está dada por una simple probabilidad.

También se puede aplicar a los humanos y afirmar que no somos nada más que un resultado de entre infinitas probabilidades. La física contemporánea se funda básicamente en dos teorías principales, la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica, aunque ambas teorías parecen contradecirse mutuamente.

Los postulados que definen la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría detrás de la física cuántica están incuestionablemente apoyados por rigurosa y repetida evidencia empírica. Sin embargo, ambas se resisten, por el momento, a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente.

¿ENTONCES QUÉ DICE LA MECÁNICA CUÁNTICA?

El tamaño de un núcleo atómico es del orden de 10-13 centímetros. ¿Podemos imaginar ésto? Muy difícilmente. Mucho más difícil aún sería imaginar como interactúan dos núcleos atómicos, o cómo interactúa el núcleo con los electrones en el átomo. Por eso lo que dice la mecánica cuántica muchas veces nos parece que no es 'lógico'. Veamos que propone la mecánica cuántica:

El intercambio de energía entre átomos y partículas solo puede ocurrir en paquetes de energía de cantidad discreta (Fuerzas e Interacciones)

Las ondas de luz, en algunas circunstancias se pueden comportar como si fueran partículas ( fotones).

Las partículas elementales, en algunas circunstancias se pueden comportar como si fueran ondas.

Es imposible conocer la posición exacta y la velocidad exacta de una partícula al mismo tiempo. Este es el famoso Principio de Incertidumbre de Heisemberg

Ejemplos de las consecuencias de la mecánica cuántica se pueden apreciar estudiando la naturaleza de los átomos y de la radiación.