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¿Qué es la física cuántica?

Qué es la física cuántica: explicación sencilla

08/12/2015 - 09:08

Existe un campo del conocimiento asombroso para el ser humano, con bases extramadamente bien fundadas que quizás representa la mayor revolución científica del siglo XX. Una teoría científica que revela una realidad verdaderamente extraña que escapa a nuestra intuición pero funciona con una lógica matemática. En este artículo vamos a intentar explicar qué es la física cuántica.

La física cuántica es una teoría que describe cómo funciona el mundo a escalas muy, muy pequeñas. Su validez descansa sobre experimentos científicos, y es una de las teorías más probadas en los últimos años por la perpejlidad que provoca su naturaleza en el ser humano y porque sus efectos desafían no ya el sentido común sino la imaginación del hombre.

¿Qué significa que una partícula pueda estar en un sitio y en todos los sitios al mismo tiempo? ¿Está vivo o muerto el gato de Schröedinger? ¿Por qué no podemos predecir los fenómenos cuánticos con total exactitud?

Antes de entrar en materia y descubrir qué es la física cuántica resulta necesaria una pequeña cura de humildad. Durante miles de años el ser humano dio por hecho que la Tierra era plana o que era el Sol el que giraba alrededor de nuestro planeta porque lo contrario eran conceptos que escapaban al sentido común de la época, por las razones que fuesen.

Quizás llegue un día en el que la física cuántica resulte una materia tan asimilada como cualquier otra para el común de los mortales y se enseñe en la escuela primaria, pero ese tiempo todavía parece lejano. "Si piensas que entiendes a la mecánica cuántica en realidad no entiendes la mecánica cuántica", resumió una vez Richard Feynman, uno de los físicos más brillantes del siglo XX.

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La físca cuántica aglutina un conjunto de teorías que explican cómo se comportan las partículas fundamentales, es decir, las más pequeñas de todas e incluso más pequeñas que los átomos, como los electrones. Los miles de experimentos científicos han demostrado una y otra vez que estas partículas subatómicas se comportan de una manera extaordinaria desde el punto de vista del ser humano: pueden atravesar paredes, encontrarse en varios sitios a la vez y moverse en todos los sentidos al mismo tiempo.

Una teoría de esta magnitud desconcierta a cualquier mortal. Incluso a uno de la talla de Albert Einstein, el mejor físico teórico de la historia y uno de los padres de la mecánica cuántica, que se pasó casi 20 años intentando demostrar que la física cuántica estaba equivocada. Dejó una reflexión para la historia, "Dios no juega a los dados con el universo", pero fue incapaz de encontrar errores en la física cuántica.

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"Einstein, deje de decirle a Dios lo que tiene que hacer", le respondió años más tarde Niels Bohr, otro de los grandes científicos que ayudó a desarrollar las leyes de la mecánica cuántica. Y al debate, por supuesto, también se ha unido otro icono de la ciencia moderna como Stephen Hawking. "Dios no sólo juega a los dados con el Universo; sino que a veces los arroja donde no podemos verlos".

Pero vayamos por partes. Para entender mejor qué es la física cuántica se deben conocer algunos conceptos que arrojan mucha luz sobre estas leyes que gobiernan el Universo.

Principio de superposición cuántica y el gato de Schrödinger

En 1935, Erwin Schrödinger propuso un experimento en el que un gato se introducía dentro de una caja junto con un material radioactivo con una probabilidad del 50 por ciento de que se emitiera una partícula subatómica que si se llegara a desintegrar liberaría un veneno que mataría al gato.

El sentido común, representado en esta historia como la física clásica o newtoniana, nos dice que si la caja está cerrada el gato tiene una probabilidad entre dos: o está vivo o está muerto, y para descubrirlo es necesario abrir la caja.

Pero la mecánica cuántica funciona de manera diferente. A escala subatómica no podemos hablar de que el átomo puede haber liberado una partícula mortífera o no, sino que la emitido y no lo ha hecho al mismo tiempo

De esta manera el destino del gato queda conectado a la partícula y está muerto y vivo a la vez.

El comportamiento cuántico desaparece a una escala tan grande como la de un gato, que tiene billones de átomos. Pero la física cuántica demuestra que un átomo pueden estar en dos lugares a la vez o que un electrón puede girar en el sentido de las agujas del reloj y al contrario al mismo tiempo.

Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg

A finales de los años veinte del siglo pasado el físico alemán Werner Heisenberg tuvo una idea extraordinaria: si las leyes del universo cuántico eran tan distintas al nuestra experiencia cotidiana, ¿por qué estudiarla bajo los preceptos tradicionales, es decir, bajo la óptica de la física newtoniana?

Entonces, en lugar de elaborar una teoría para intentar predecir qué sucede en la física cuántica simplemente se dedicó a intentar medirla. Y entonces ocurrió algo muy extraño. Heisenberg descubrió que era imposible conocer la posición y la velocidad de una partícula simultáneamente de forma exacta.

Con otras palabras, cuanto más precisa era la medición o determinación de la posición de una partícula en un instante dado, menos precisa era el conocimiento sobre su velocidad en ese mismo instante. Llevado al extremo, la precisión total en una de las cantidades implica la imprecisión total en la otra.

El descubrimiento cambió uno de los teoremas fundamentales de la ciencia tradicional, la ley de casualidad que establece que si conocemos exactamente el presente es posible calcular el futuro. Bajos los ojos de la mecánica cuántica no es que sea imposible calcular el futuro, sino que no se puede conocer con precisión absoluta el presente. 

Gracias a este principio formulado por Heisenberg hoy sabemos que un observador no puede medir dos propiedades de una partícula al mismo tiempo. Por ejemplo, o bien determina su posición exacta dentro del espacio o su momento exacto, el producto de la velocidad de la masa, pero si intenta hacer las dos cosas a la vez el resultado tendrá fallos.

El experimento de la doble rendija

El clásico experimento de la doble rendija sirve para explicar a la perfección qué es la física cuántica y, además, introduce un ejemplo práctico del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Para ello basta con imagunar un campo de fútbol, una portería y una pared con dos rendijas ligeramente más anchas que el balón. Si pedimos a un futbolista con relativa precisión que se sitúe de cara a la pared y dispare indistintamente a las dos rendijas decenas de balones el resultado será el siguiente. En la portería se concentrarán los balones que han conseguido 'atravesar' la pared por la habilidad del futbolista en dos zonas muy específicas que se corresponden con las rendijas.

Ahora bien, al repetir el experimento a una escala atómica los resultados son totalmente diferentes. Los electrones, en el papel de balones de fútbol, no se concentrarían sobre dos líneas en línea paralela a las rendijas, sino que se acumularían en varias líneas a lo largo de toda la portería, como un código de barras.

¿Cómo es posible? Al estudiar dónde impactan los balones con la ayuda de la lógica matemática la física cuántica llega a la conclusión de que esos electrones o balones de fútbol en realidad pasan y no pasan por todas las rendijas que existan a la vez.

Hasta aquí el experimento escapa a nuestro sentido común, pero si vamos un paso más allá ocurre algo todavía más extraño. Colocamos una cámara al lado de cada rendija para detectar por dónde pasa efectivamente el electrón. El resultado entonces es exactamente el mismo que con los balones de fútbol a tamaño real: al introducir un observador la mecánica cuántica se esconde como por arte de magia.

Utilidad de la física cuántica

¿Para qué se utiliza la física cuántica? Además de para provocar un fuerte dolor de cabeza al reflexionar sobre conceptos que se escapan tanto a nuestra realidad cotidiana, muchos conceptos de la física cuántica se aplican hoy en todo tipo de sectores. desde las telecomunicaciones a la medicina.

La física cuántica es necesaria por ejemplo, para leer la información almacenada en el disco duro de un PC o de un DVD, para el desarrollo de los chips de los teléfonos móviles, los transistores, la exploración del universo, para todo tipo de tecnologías que utilizan el láser o las imágenes por resonancia magnética que se utilizan en el campo de la medicina.

A pesar de todo lo que sabemos sobre la física cuántica todavía queda un larguísimo camino por recorrer para desvelar todos sus secretos, en buena medida porque hablamos de una rama todavía muy joven que se formuló a principios del siglo XX y desarrollada a partir de 1920 por físicos y matemáticos de la talla de Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Von Neumann, Bohr o Richard Feynman.

Noventa años después algunos conceptos de la física cuántica resultan todavía un misterio muy difícil de explicar, como el entrelazamiento cuántico. Para entender mejor todos estos conceptos uno de los mejores divulgadores científicos de nuestro tiempo es sin duda Stephen Hawking, que en su último libro recoge las leyes de la mecánica cuántica para intentar explicar nada menos que el origen del universo. 

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