En Muy Interesante tenemos una sección inmensa con múltiples artículos sobre física cuántica. Incluso tenemos un diccionario de física cuántica. Tal vez, para una persona que no sea especialista en el tema es difícil discriminar los resultados importantes de los que tienen menos importancia. Te ayudamos a que te aclares. En este artículo recogemos el top 10 de resultados de la física cuántica. No están en orden de importancia, pues este criterio podría variar en base a muchos factores.
Introducción a la física cuántica
Importancia de la física cuántica en fenómenos naturales
La física cuántica es esencial para comprender una amplia gama de fenómenos naturales. Desde la radiación del cuerpo negro hasta la superconductividad, esta ciencia proporciona las herramientas necesarias para explicar comportamientos que la física clásica no puede abordar. Por ejemplo, la capacidad de los electrones para moverse sin resistencia en materiales superconductores a bajas temperaturas es un fenómeno puramente cuántico que ha permitido avances significativos en la tecnología médica y energética. Además, la física cuántica explica cómo los átomos y las moléculas interactúan, lo que es crucial para la química y la biología.
La teoría cuántica también nos ayuda a entender el comportamiento de la luz y su interacción con la materia. Fenómenos como el efecto fotoeléctrico, que describe cómo la luz puede liberar electrones de una superficie, son fundamentales para el desarrollo de tecnologías como las células solares.
Diferencias entre física clásica y cuántica
La física clásica y la cuántica difieren fundamentalmente en su enfoque y en las escalas que abordan. La física clásica, que incluye las leyes de Newton, describe el movimiento de objetos macroscópicos y es determinista en su naturaleza. En contraste, la física cuántica opera a nivel subatómico y es inherentemente probabilística. Esto significa que, en lugar de predecir con certeza el estado de una partícula, la mecánica cuántica proporciona probabilidades de encontrarla en diferentes estados.
Otra diferencia clave es la dualidad onda-partícula, un concepto central en la física cuántica que no tiene equivalente en la física clásica. Según este principio, las partículas como los electrones y los fotones pueden comportarse como partículas discretas o como ondas continuas, según el experimento. Esto desafía la intuición clásica y requiere un nuevo marco conceptual para entender la naturaleza de la realidad.
Finalmente, la física cuántica introduce el concepto de entrelazamiento, donde las partículas pueden estar correlacionadas de tal manera que el estado de una afecta instantáneamente al estado de otra, sin importar la distancia entre ellas. Este fenómeno, que Einstein llamó "acción fantasmagórica a distancia", no tiene paralelo en la física clásica y subraya la naturaleza no local de la mecánica cuántica.
Los principios fundamentales
1. Radiación del cuerpo negro y la ley de Planck
Sobre este tema te hablamos en ¿Qué es un cuerpo negro?, escrito por Alberto Corbi. Un cuerpo negro es un objeto ideal que absorbe toda la luz que incide sobre él, sin reflejar ni reemitir ninguna. Aunque no existe un cuerpo negro perfecto en la realidad, este concepto es fundamental para comprender la física de la radiación y el comportamiento de la luz.
Los cuerpos negros no emiten radiación electromagnética en un espectro continuo, como se pensaba. A mayor temperatura, mayor intensidad de la radiación y menor longitud de onda de la luz emitida. Esta relación se describe mediante la ley de Planck, una de las leyes fundamentales de la física cuántica. De hecho fue la que dio origen a toda la teoría cuántica: la luz se transmite en "cuantos".
2. Efecto fotoeléctrico y la dualidad de la luz
Te lo contamos en el artículo ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? (A Einstein le dieron el Premio Nobel por esto), escrito por Eugenio Manuel Fernández Aguilar.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno físico en el que la luz incidente sobre un material libera electrones de su superficie. Este efecto fue descubierto por Albert Einstein en 1905 y ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica.
El efecto fotoeléctrico se explica por la naturaleza dual de la luz como onda y como partícula. La luz incidente sobre un material puede transferir su energía a los electrones del material, liberándolos de su superficie. La energía de la luz incidente debe ser mayor que la energía de enlace del electrón para que este sea liberado. La clave es la misma que en el caso de la radiación del cuerpo negro: la energía se transfiere en forma de fotones (cuantos de luz).
3. Dualidad onda-corpúsculo y el experimento de la doble rendija
También te lo hemos contado en Muy: ¿Qué es la dualidad onda-partícula?, escrito por Eugenio Manuel Fernández Aguilar.
La dualidad onda-partícula es un principio fundamental de la mecánica cuántica que establece que la luz y la materia pueden comportarse tanto como ondas como como partículas. El matemático y físico francés Louis de Broglie fue pionero en la teoría de la dualidad onda-partícula en 1924, proponiendo que, para cada partícula, existe una longitud de onda asociada.
Se ha demostrado en diversos experimentos, como el de la doble rendija, donde la luz se difracta como una onda al pasar por dos rendijas, pero también produce un patrón de interferencia, como lo haría una partícula.
La dualidad onda-corpúsculo fue mejor comprendida gracias al efecto Compton. De ello te hablamos en ¿Qué es el efecto Compton y por qué puede salvarte la vida?
4. Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno y la estructura del átomo de hidrógeno
Una vez más, te contamos sobre el átomo de Bohr en El átomo cuántico, de Eugenio Manuel Fernández Aguilar.
La física cuántica ha revolucionado nuestra comprensión del átomo, revelando un mundo en miniatura regido por leyes diferentes a las del mundo macroscópico. El modelo de Bohr, pionero en este campo, sentó las bases para comprender la estructura atómica y explicar fenómenos como las líneas espectrales.
Bohr postuló que los electrones solo podían orbitar el núcleo en órbitas circulares de radio específico, desafiando la visión clásica de órbitas planetarias. Esta idea, junto con la cuantización del momento angular y la energía de los electrones, proporcionó una explicación elegante de la estabilidad del átomo y las características del espectro del hidrógeno.
5. Principio de incertidumbre de Heisenberg
En este caso tenemos un artículo con un título curioso: ¿Podría la física cuántica salvarnos de una multa de tráfico?, de Alberto Casas.
El principio de incertidumbre, formulado por Werner Heisenberg en 1927, es uno de los pilares fundamentales de la física cuántica que transformó nuestra comprensión del mundo subatómico. Este principio establece que es imposible conocer simultáneamente con precisión tanto la posición como el momento (o la velocidad) de una partícula subatómica. En otras palabras, cuanta más precisión tengamos en la determinación de la posición de una partícula, menos precisión tendremos en la determinación de su momento, y viceversa. Esta relación de incertidumbre es inherente a la naturaleza cuántica de las partículas y no se debe a limitaciones técnicas o instrumentales, sino que refleja una propiedad intrínseca de la realidad cuántica.
6. Principio de exclusión de Pauli y la configuración electrónica
Es un principio fundamental para entender ¿Qué es un bosón? (artículo de José Luis Oltra).
El principio de exclusión de Pauli fue enunciado por Wolfgang Pauli en 1928. Este principio establece que dos fermiones idénticos, como electrones, protones o neutrones (partículas con espín semi-entero), no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente dentro de un sistema cuántico. En otras palabras, dos fermiones no pueden tener todos sus números cuánticos idénticos en un mismo sistema. Esta restricción cuántica tiene implicaciones significativas en la configuración electrónica de los átomos, determinando la distribución de electrones en los diferentes niveles de energía y subniveles orbitales. Por ejemplo, el principio de exclusión de Pauli explica por qué los electrones en un átomo ocupan niveles de energía discretos y cómo se llenan progresivamente los subniveles de energía de acuerdo con la regla de Aufbau y la regla de Hund.
7. Ecuación de Schrödinger y la mecánica cuántica
En este te traemos el artículo El gato de Schrödinger: más allá de las ecuaciones, de Avelino Vicente.
Erwin Schrödinger formuló la ecuación de Schrödinger, una ecuación fundamental en la mecánica cuántica que describe la evolución temporal de la función de onda de un sistema cuántico. Esta ecuación proporciona una descripción matemática de cómo cambian las propiedades de las partículas cuánticas en el tiempo, y es crucial para calcular y predecir el comportamiento de sistemas cuánticos complejos, como átomos, moléculas y partículas subatómicas. La ecuación de Schrödinger unifica los aspectos ondulatorio y corpuscular de la materia, y su solución proporciona información sobre los niveles de energía permitidos y las probabilidades de encontrar partículas en diferentes regiones del espacio, sentando así las bases para la comprensión y la manipulación de la naturaleza cuántica de la realidad.
8. Teoría cuántica de campos y la unificación con la relatividad
En el artículo Campos muy cuánticos, de Francisco Villatoro, se puede acceder a una introducción sobre qué es la teoría cuántica de campos.
La teoría cuántica de campos, desarrollada en la década de 1940 por físicos como Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, representa un avance significativo en la comprensión de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Esta teoría proporciona un marco matemático y conceptual para describir las partículas elementales y sus interacciones a través de campos cuánticos, unificando los principios de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad especial de Einstein.
En la teoría cuántica de campos, las partículas elementales se consideran manifestaciones de excitaciones en campos fundamentales que llenan todo el espacio-tiempo. Estos campos cuánticos están sujetos a las reglas de la mecánica cuántica, lo que implica que las partículas pueden ser creadas o destruidas mediante interacciones entre estos campos.
9. Entrelazamiento cuántico y correlación de partículas
Este interesante fenómeno se aborda en el artículo Embrujo cuántico. ¿En qué consiste el entrelazamiento?, de Miguel Ángel Sabadell.
Describe una peculiar correlación entre las propiedades de dos o más partículas subatómicas de tal manera que el estado de una partícula está íntimamente relacionado con el estado de otra, incluso si están separadas por distancias enormes. Este fenómeno desafía nuestra comprensión clásica de la realidad y plantea cuestiones profundas sobre la naturaleza fundamental del universo.
El entrelazamiento cuántico surge como consecuencia de la superposición de estados cuánticos, donde una partícula puede estar en múltiples estados simultáneamente hasta que se mide. Cuando dos o más partículas interactúan y luego se separan, sus estados cuánticos se convierten en una superposición entrelazada, lo que significa que no se pueden describir independientemente, sino que forman un único sistema cuántico. Esto implica que si se realiza una medición en una de las partículas para determinar su estado, la otra partícula instantáneamente "conoce" su propio estado, independientemente de la distancia que las separe. Este fenómeno ha sido confirmado experimentalmente en numerosos estudios y tiene aplicaciones potenciales en tecnologías como la criptografía cuántica y la computación cuántica.
10. Superconductividad y la teoría BCS
Este tema no puede faltar en Muy, así que te lo traemos en el artículo Superconductividad: un mundo muy cuántico, de María José Calderón.
Descubierta por Heike Kamerlingh Onnes en 1911, la superconductividad es un fenómeno cuántico en el que ciertos materiales conductores pierden toda resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas. Este descubrimiento revolucionó la física de materiales y ha llevado a importantes avances tecnológicos, como la creación de potentes imanes superconductores, la tecnología de resonancia magnética (IRM) y la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas en redes de distribución de energía. La superconductividad se describe mediante la teoría de BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que explica cómo los pares de Cooper, formados por interacciones entre electrones, pueden moverse a través del material sin disipar energía, y proporciona una descripción cuántica del fenómeno.
Aplicaciones y consecuencias de la física cuántica
Influencia en propiedades térmicas, ópticas y eléctricas
La física cuántica tiene un impacto significativo en las propiedades térmicas, ópticas y eléctricas de los materiales. A nivel cuántico, las interacciones entre partículas y campos determinan cómo un material responde a diferentes estímulos, como la temperatura y la luz. Por ejemplo, la conductividad eléctrica de un material está influenciada por el comportamiento cuántico de sus electrones, lo que puede dar lugar a fenómenos como la superconductividad y el efecto Hall cuántico.
En el ámbito óptico, la física cuántica explica cómo los materiales absorben y emiten luz, lo que es fundamental para el desarrollo de tecnologías como las células solares y los láseres. La mecánica cuántica también es esencial para entender la interacción entre la luz y la materia, lo que ha llevado al desarrollo de dispositivos optoelectrónicos avanzados, como los LED y las pantallas de cristal líquido.
El papel de la física cuántica en la tecnología moderna
La física cuántica ha tenido un impacto profundo en la tecnología moderna, ya que ha permitido el desarrollo de dispositivos y sistemas que han transformado nuestra vida cotidiana. Desde la electrónica hasta la informática, la mecánica cuántica es la base de muchas de las tecnologías que utilizamos hoy en día. Por ejemplo, los semiconductores, que son la base de los dispositivos electrónicos, se diseñan utilizando principios cuánticos que describen cómo los electrones se comportan en materiales sólidos.
La computación cuántica es una de las áreas más prometedoras de la tecnología cuántica. Basada en las propiedades de superposición y entrelazamiento, la computación cuántica tiene el potencial de resolver problemas complejos que son intratables para las computadoras clásicas. La física cuántica también ha permitido avances en el campo de la comunicación segura. La criptografía cuántica utiliza principios cuánticos para crear sistemas de comunicación que son intrínsecamente seguros contra la interceptación.
Curiosidades y datos interesantes
Datos curiosos sobre la física cuántica
La física cuántica está llena de fenómenos sorprendentes y curiosidades que desafían nuestra intuición clásica. Uno de los aspectos más intrigantes es el principio de superposición, que permite a las partículas existir en múltiples estados simultáneamente hasta que se miden. Este principio es la base de experimentos mentales famosos, como el gato de Schrödinger, que ilustra las paradojas de la mecánica cuántica.
Otro fenómeno curioso es el efecto túnel, donde las partículas pueden atravesar barreras de energía que, según la física clásica, serían infranqueables. Este efecto tiene aplicaciones prácticas, como en los dispositivos de memoria flash y los microscopios de efecto túnel, que permiten visualizar átomos individuales en una superficie.
Ejemplos sorprendentes de fenómenos cuánticos
La física cuántica nos ofrece una serie de ejemplos sorprendentes que desafían nuestra comprensión clásica de la realidad. Uno de los más conocidos es el experimento de la doble rendija, que demuestra la dualidad onda-partícula de los electrones. Este experimento ilustra cómo las partículas subatómicas pueden comportarse tanto como ondas como partículas.
Otro ejemplo fascinante es la superconductividad, un fenómeno cuántico en el que ciertos materiales pierden toda resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas. La superconductividad permite el flujo de corriente eléctrica sin pérdida de energía, lo que tiene aplicaciones potenciales en la transmisión de energía y la creación de imanes superconductores para dispositivos médicos y aceleradores de partículas.
Referencias
- Wichmann, Eyvind H. 2020. Física cuántica (Berkeley Physics Course). Reverté.
