La física cuántica estudia la materia
y la energía en su nivel más fundamental. Su objetivo es descubrir las
propiedades y el comportamiento de los componentes básicos de la naturaleza.
Aunque muchos experimentos cuánticos
examinan objetos muy pequeños, como electrones y fotones, los fenómenos
cuánticos nos rodean, actuando a todas las escalas. Sin embargo, es posible que
no podamos detectarlos fácilmente en objetos más grandes. Esto puede dar la
impresión errónea de que los fenómenos cuánticos son extraños o sobrenaturales.
De hecho, la ciencia cuántica completa nuestro conocimiento de la física para
ofrecernos una visión más completa de nuestra vida cotidiana.
Los descubrimientos cuánticos se han
incorporado a nuestra comprensión fundamental de los materiales, la química, la
biología y la astronomía. Estos descubrimientos constituyen un valioso recurso
para la innovación, dando origen a dispositivos como láseres
y transistores, y permitiendo un progreso real en tecnologías que antes se
consideraban puramente especulativas, como las computadoras cuánticas . Los físicos
están explorando el potencial de la ciencia cuántica para transformar nuestra
visión de la gravedad y su conexión con el espacio y el tiempo. La ciencia
cuántica podría incluso revelar cómo todo en el universo (o en múltiples
universos) está conectado con todo lo demás a través de dimensiones superiores
que nuestros sentidos no pueden comprender.
Los
orígenes de la física cuántica
El campo de la física cuántica surgió
a finales del siglo XIX y principios del XX a partir de una serie de
observaciones experimentales de átomos que no tenían sentido intuitivo en el
contexto de la física clásica. Entre los descubrimientos fundamentales se
encontraba la comprensión de que la materia y la energía pueden considerarse
paquetes discretos, o cuantos, con un valor mínimo asociado. Por ejemplo, la
luz de una frecuencia fija emite energía en cuantos llamados
"fotones". Cada fotón a esta frecuencia tiene la misma cantidad de
energía, y esta energía no puede descomponerse en unidades más pequeñas. De
hecho, la palabra "cuántico" tiene raíces latinas y significa
"cuánto".
El conocimiento de los principios
cuánticos transformó nuestra concepción del átomo, compuesto por un núcleo
rodeado de electrones. Los primeros modelos representaban a los electrones como
partículas que orbitaban el núcleo, de forma similar a como los satélites
orbitan la Tierra. La física cuántica moderna, en cambio, entiende que los
electrones se distribuyen en orbitales, descripciones matemáticas que
representan la probabilidad de que existan en más de una posición dentro de un
rango determinado en un momento dado. Los electrones pueden saltar de un
orbital a otro al ganar o perder energía, pero no pueden encontrarse entre
orbitales.
Otros conceptos centrales ayudaron a
establecer las bases de la física cuántica:
- Dualidad onda-partícula: Este principio se
remonta a los inicios de la ciencia cuántica. Describe los resultados de
experimentos que demostraron que la luz y la materia tenían propiedades de
partículas u ondas, según cómo se midieran. Hoy en día,
comprendemos que estas diferentes formas de energía no son, en realidad,
ni partículas ni ondas. Son objetos cuánticos distintos que
no podemos conceptualizar fácilmente.
- Superposición : Este término se
utiliza para describir un objeto como una combinación de múltiples estados
posibles simultáneamente. Un objeto superpuesto es análogo a una onda en
la superficie de un estanque, que es la combinación de dos ondas
superpuestas. En sentido matemático, un objeto en superposición puede
representarse mediante una ecuación con más de una solución o resultado.
- Principio de incertidumbre : Este es
un concepto matemático que representa un equilibrio entre puntos de vista
complementarios. En física, esto significa que dos propiedades de un
objeto, como su posición y velocidad, no pueden conocerse con precisión al
mismo tiempo. Si medimos con precisión la posición de un electrón, por
ejemplo, la precisión con la que podemos conocer su velocidad será
limitada.
- Entrelazamiento : Este es un
fenómeno que ocurre cuando dos o más objetos están conectados de tal
manera que pueden considerarse un solo sistema, incluso si están muy
separados. El estado de un objeto en ese sistema no puede describirse
completamente sin información sobre el estado del otro objeto. De igual
manera, obtener información sobre un objeto automáticamente revela
información sobre el otro y viceversa.
El experimento de la doble rendija
Quizás el
experimento más definitivo en el campo de la física cuántica sea el experimento de
la doble rendija . Este experimento, que consiste en disparar
partículas como fotones o electrones a través de una barrera con dos rendijas,
se utilizó originalmente en 1801 para demostrar que la luz está compuesta de
ondas. Desde entonces, se han utilizado numerosas versiones del experimento
para demostrar que la materia también puede comportarse como una onda y para
demostrar los principios de superposición, entrelazamiento y el efecto del
observador.
El campo de la
ciencia cuántica puede parecer misterioso o ilógico, pero describe todo lo que
nos rodea, nos demos cuenta o no. Aprovechar el poder de la física cuántica da
lugar a nuevas tecnologías, tanto para las aplicaciones
que utilizamos hoy como para las que puedan estar disponibles en
el futuro .
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