TIPS CUANTICOS

En solo unos pocos años, los científicos han ido desarrollando una teoría del átomo. Esta teoría puede explicar cómo está formado un átomo y cuáles pueden ser sus interacciones. Ha sido de gran importancia, para el desarrollo de esta teoría, el descubrimiento de que la luz y la materia tienen características tanto de onda como de partícula, a nivel atómico y subatómico. La nueva teoría no ha tenido en cuenta los postulados de Bohr, que consideraba a los electrones como partículas y los trató como ondas. En 1926, los físicos desarrollaron las leyes de la mecánica cuántica, también llamada mecánica de ondas, cuyo objetivo era explicar a través de estas leyes los fenómenos atómicos y subatómicos.

Principios básicos de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la rama de la física relacionada con lo más pequeño. Nos puede dar algunas conclusiones muy extrañas sobre el mundo físico ya que dejarían sin utilidad a las ya existentes en la mecánica clásica. Una de la diferencia que existe con la mecánica clásica es que dice que los objetos existen en un lugar específico y en momento específico. La mecánica cuántica establece que los objetos tienen la posibilidad de estar en el punto A, otra posibilidad de estar en el punto B y así sucesivamente.

Durante muchas décadas, la mecánica cuántica se desarrolló con explicaciones matemáticas controvertidas basadas en experimentos que la matemática de la mecánica clásica no podía explicar. Fue a principios del siglo XX, casi al mismo tiempo que Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad, realmente una revelación matemática, separada de la física, que describe el movimiento de los objetos a altas velocidades. A diferencia de la relatividad, las leyes de la mecánica cuántica no pueden atribuirse a una sola persona. Son varios los científicos que contribuyeron a sentar las bases de tres principios revolucionarios que de a poco fueron ganando aceptación y verificación experimental entre 1900 y 1930, principalmente Heisenberg y Schrödinger.

Propiedades cuantificadas

Las cuantificadas son ciertas propiedades como la posición, la velocidad y el calor: en algunos casos solo pueden ocurrir en cantidades ya establecidas, como el dial que “hace clic” de un número a otro. Este fue uno de los desafíos a la mecánica clásica, que establecía que tales propiedades deberían existir en un espectro continúo y uniforme. Para describir la idea de cómo se establecía el clic como un dial, con ajustes específicos, los científicos acuñaron la palabra “cuantificado”.

Partículas de luz

Con referencia a que la luz en ocasiones puede comportarse como una partícula, en un principio no fue aceptado, ya que venía de más de 200 años de experimentos que demostraban que la luz se comportaba como una onda en calma. En forma similar, la luz se comporta en el sentido que rebota en las paredes y se dobla en las esquinas y que las crestas y valles puedan sumarse o cancelarse, dando como resultado una luz brillante, mientras que las ondas que se cancelan producen oscuridad. Se puede concebir una fuente de luz como una bola en un palo que se sumerge rítmicamente en el centro de un lago. El calor que se esparce a la distancia entre las crestas está determinada por la velocidad del ritmo de la pelota.

Ondas de materia

Entre las leyes de la mecánica cuántica se establece que la materia puede comportarse como una onda. Esto también va en contra de lo que se establece desde hace casi 30 años de experimentos, en el sentido de que la materia, como los electrones, existe como partículas.

¿Propiedades cuantificadas?

En 1900, el físico alemán Max Planck trató de demostrar la distribución de la luz. Las leyes de la física explicaban así la ecuación que implicaba que se emitían combinaciones de solo ciertos colores, específicamente aquellos que eran múltiples enteros de algún valor de base. Esto significa que de alguna manera los colores se cuantificaron, porque la luz actuaba como una onda, lo que da como resultado que los valores del color deberían ser un espectro continuo. El argumento era tan complicado que Planck describió a la cuantificación como un truco matemático. La ecuación de Planck también establecía un número que luego sería fundamental para el futuro desarrollo de la mecánica cuántica, conocida hoy como “Constante de Planck”.

La cuantificación influyó en otros misterios de la física. Así en 1907, Einstein aplicó la hipótesis de cuantificación de Planck. Al explicar por qué la temperatura de un sólido, podía cambiar en diferentes cantidades si se aplicaba la misma cantidad de calor al material, pero se cambiaba la temperatura inicial. La ciencia de la espectroscopia desde comienzos del siglo XIX ha experimentado que diferentes objetos emiten y absorben colores específicos de luz, llamados “líneas espectrales”. Aunque este era un método confiable para saber sobre cómo estaban formados los objetos, como las estrellas, los científicos no podían llegar a entender por qué cada elemento emitía esas líneas específicas.

El Tiempo

La definición más básica de tiempo es: “aquello que el reloj mide” También se describe como “un continuo lineal de instantes”. La concepción tradicional del tiempo es lineal: el pasado está detrás, el futuro por delante, y todo se mueve en una sola dirección. Gracias a esta concepción, los eventos ocurren uno tras otro y no todos al mismo tiempo de manera caótica. Existen verdades inmutables: un vaso puede romperse, pero es difícil que se recomponga. Sin embargo, ¿qué se puede decir del futuro? ¿Qué indica la física cuántica al respecto?

Aspectos básicos de física cuántica

Para entender esta cuestión, primero debemos explorar los fundamentos de la física cuántica. En la mecánica cuántica, las partículas subatómicas como electrones y fotones se comportan de manera diferente a como lo hacen los objetos macroscópicos en el mundo clásico. En lugar de tener propiedades bien definidas como posición y velocidad, estas partículas existen en un estado de superposición, lo que significa que pueden estar en múltiples lugares o estados simultáneamente. Además, la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica implica que no podemos predecir con certeza el estado exacto de una partícula en un momento dado, sino que solo podemos asignar probabilidades a diferentes resultados.

Esto nos lleva a la noción de la superposición cuántica, donde un sistema cuántico puede estar en múltiples estados simultáneamente. La superposición es un concepto fundamental en la física cuántica y es la base de fenómenos como el entrelazamiento cuántico y la computación cuántica. En un estado de superposición, un sistema cuántico puede estar en una combinación lineal de diferentes estados posibles, lo que significa que no tiene una propiedad bien definida hasta que se realiza una medición.

Teorías al respecto

La interpretación de la superposición cuántica y la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica han llevado a algunas especulaciones sobre la posibilidad de predecir el futuro utilizando estos principios. Algunos teóricos han sugerido que si pudiéramos conocer con precisión el estado cuántico de todas las partículas en el universo en un momento dado, podríamos predecir con certeza su evolución futura. Esta idea se basa en la noción de que las leyes fundamentales de la física cuántica son deterministas, lo que significa que el estado futuro de un sistema está completamente determinado por su estado presente.

Sin embargo, esta idea se encuentra con varios obstáculos en la práctica. En primer lugar, la complejidad y el número de partículas en el universo hacen que sea imposible conocer con precisión el estado cuántico de todas ellas.

El tiempo en la física

La teoría de la relatividad de Albert Einstein presenta un universo donde el espacio y el tiempo son inseparables y se influyen mutuamente. Los fenómenos se experimentan de manera diferente según el estado de movimiento del observador. Por ejemplo, el tiempo corre más lentamente bajo una fuerte fuerza gravitacional: cuanto más cerca alguien está de la velocidad de la luz, más lento va su reloj. Por lo tanto, el futuro, el presente y el pasado no son tan diferentes como pensamos. El escritor científico y astrofísico Adam Becker explica que en la Galaxia Andrómeda, a millones de años luz de distancia, los extraterrestres podrían decidir conquistar la Tierra. Para nosotros, esto es el futuro, pero para ellos, ya es el pasado.

En realidad, el tiempo no es lineal sino poliédrico. No hay un inicio ni un final; el tiempo como tal solo existe en el cerebro humano. El pasado y el futuro son como la izquierda y la derecha, siempre están ahí, pero cambian según la posición de uno. El espacio-tiempo es una ilusión.

Viajes al pasado

Un artículo publicado en New Scientist señaló que un grupo de investigadores logró manipular el entrelazamiento cuántico. Este es una propiedad que permite a dos partículas estar conectadas instantáneamente, incluso a grandes distancias. Al manipular el estado de una partícula entrelazada, se puede influir instantáneamente en la otra, incluso si se encuentra en el pasado en la línea temporal. El viaje en el tiempo cuántico podría lograrse si una partícula entrelazada se envía a través de una curva cerrada de tipo tiempo (CTC). Esto permitiría que la partícula regrese a un punto anterior en el tiempo y luego interactúe con su partícula entrelazada. Esto podría utilizarse para transmitir información o incluso alterar eventos pasados y, a la vez, predecir el futuro.

La retrocausalidad

Un concepto intrigante relacionado con el viaje en el tiempo cuántico es la retrocausalidad. Este término sugiere que, bajo ciertas circunstancias, los efectos pueden preceder a sus causas, desafiando la noción convencional del tiempo como una línea unidireccional.

Sin embargo, este concepto sigue siendo altamente controvertido y no ha sido demostrado experimentalmente. Enfrenta limitaciones como las siguientes:

§ Decoherencia. Ocurre cuando un sistema cuántico pierde su coherencia cuántica y se comporta de manera clásica. Esto impide mantener un sistema cuántico en un estado predecible a largo plazo.

§ Paradojas temporales. Un ejemplo clásico es la paradoja del abuelo: si viajas al pasado y evitas que tu abuelo conozca a tu abuela, podrías impedir tu propio nacimiento, lo que plantea serias contradicciones lógicas.

§ Predicción y control. Aunque se han hecho avances en la predicción de estados cuánticos a corto plazo, el control preciso y la predicción a largo plazo siguen siendo problemáticos.

¿Se puede predecir el futuro?

La idea de predecir el futuro con la física cuántica es fascinante y plantea muchas preguntas interesantes sobre la naturaleza del tiempo y la causalidad. Sin embargo, debido a los desafíos inherentes a la mecánica cuántica y las limitaciones actuales de la tecnología, la predicción precisa del futuro sigue siendo un objetivo teórico y especulativo. Los avances en este campo podrían permitirnos algún día entender mejor estas posibilidades. Sin embargo, por ahora, estamos lejos de poder predecir el futuro con certeza utilizando la física cuántica.

Experimentos

La física cuántica es una rama de la física que se ocupa del estudio de los fenómenos a escala subatómica. Está relacionada con la mecánica cuántica, el estudio de los fenómenos a escala microscópica. Esta ciencia ha producido algunos de los resultados más sorprendentes, y hoy en día los experimentos cuánticos están desvelando algunas de las propiedades más peculiares de la naturaleza.

La doble rendija

Uno de los experimentos cuánticos más conocidos es el experimento de doble rendija. En este experimento, un fotón se manda por una rendija y se observa en qué dirección se mueve. Lo sorprendente es que, aunque el fotón se mueva por una sola rendija, se observan patrones de interferencia que sugieren que el fotón se ha dividido en dos. Esto indica que el fotón tiene propiedades ondulatorias, lo que equivale a que se comporta como una onda y no como una partícula.

La entropía cuántica

Otro experimento interesante es el de la entropía cuántica. En este caso, una partícula se mantiene encerrada en una caja con una pequeña abertura. La partícula se mueve libremente dentro de la caja, aunque no puede escapar por la abertura. Lo interesante de este experimento es que, cuando la partícula se mueve dentro de la caja, se observan patrones de interferencia que sugieren que la partícula está en varias posiciones al mismo tiempo. Esto se conoce como el efecto cuántico de la superposición, que indica que el comportamiento de la partícula no se puede predecir con certeza.

Fotones y enfoque cuántico

También es un experimento curioso el del enfoque cuántico. Un fotón se dispara hacia una partícula y se observa en qué dirección se mueve. Lo interesante de este experimento es que, aunque el fotón se mueva en una dirección, también se observan patrones de interferencia que sugieren que el fotón se ha dividido en dos. Como vemos, el comportamiento de la partícula depende de la forma en que se enfoque el experimento.

El origen de la física cuántica

La física cuántica es una de las ramas más influyentes de la ciencia. Esta disciplina estudia el comportamiento de la materia y la energía a niveles atómicos y subatómicos. Fue desarrollada a principios del siglo XX como una forma de explicar el comportamiento de los átomos y las partículas subatómicas. El origen de la física cuántica se remonta a principios del siglo XX. En 1900, el físico alemán Max Planck descubrió que la energía de los cuerpos se puede medir en pequeños paquetes de energía conocidos como «cuantos». Esta fue la primera teoría cuántica y fue el punto de partida para el desarrollo de la física cuántica.

En 1905, el físico alemán Albert Einstein publicó una serie de artículos que describían cómo la luz se comporta como partículas llamadas «fotones». Esta fue la primera evidencia de que la luz se comporta de manera diferente a lo que se pensaba anteriormente. Estos descubrimientos llevaron a la creación de la teoría cuántica de la luz, que explica cómo los fotones interactúan con la materia

Estos experimentos han demostrado que el comportamiento de la materia a escala subatómica no siempre se puede predecir con certeza, y que hay muchas cosas sobre la naturaleza que todavía se desconocen.

La teoría cuántica, debido a su naturaleza todavía en parte misteriosa, tiene un gran atractivo para los entusiastas de la física de modo que veamos de forma clara y sintética qué es la física cuántica y en qué consiste y en concreto también, qué es la teoría cuántica, teoría y ejemplos.

Qué es la teoría cuántica, teoría y ejemplos

Cuando se habla de teoría cuántica se suele relacionar siempre con la física cuántica que no es otra cosa que la teoría que describe el comportamiento de la materia, la radiación y todas sus interacciones a nivel microscópico. Tal y como se establece en diccionarios y enciclopedias, cuando se habla de teoría cuántica se menciona también el término de materia cuántica o física cuántica y se corresponde con la teoría física que describe el comportamiento de la materia, de la radiación y las interacciones recíprocas, en particular con respecto a los fenómenos característicos de escala de longitud o energía atómica y subatómica.

Quién formuló la teoría cuántica

La teoría cuántica, formulada por Max Planck a principios del siglo XX, nació de una investigación realizada sobre la radiación emitida por un cuerpo negro. Este cuerpo tiene la capacidad de absorber todas las radiaciones incidentes y de irradiarlas a su vez de una manera dependiente de la temperatura pero independiente de la naturaleza del material. La teoría cuántica y los estudios posteriores de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico conducen al descubrimiento de la naturaleza corpuscular de la luz . Esta teoría se basa en el criterio de cuantificación: cantidades físicas como la energía no se pueden intercambiar continuamente sino a través de «paquetes» (cuantos); Por tanto, un sistema puede poseer valores de energía específicos, y no ilimitados como afirman las leyes de la física clásica.

Con referencia al cuerpo negro, plantea la hipótesis de que la radiación emitida no era continua sino «cuantificada», es decir, emitida en una cantidad limitada de energía (cuantos de energía). El cuanto de energía es una cantidad mínima por debajo de la cual no pueden tener lugar intercambios. La hipótesis de Planck se confirmó unos años después con el análisis de Einstein del efecto fotoeléctrico, el fenómeno que ocurre cuando un cuerpo expuesto a ondas de luz o radiación electromagnética de varias frecuencias emite partículas cargadas eléctricamente.

En este caso, los electrones se emiten desde una superficie metálica, o incluso desde un gas, tras la absorción de la energía transportada en la misma superficie por radiaciones de alta frecuencia como las radiaciones ultravioleta.

Según la teoría electromagnética clásica, la energía cinética de los electrones emitidos depende de la intensidad de la radiación incidente; por otro lado, según los datos experimentales, la energía de los electrones es independiente de la intensidad y depende de la frecuencia de la radiación incidente.

Dado que la naturaleza de la luz, según la teoría clásica, era exclusivamente ondulatoria, la teoría de Einstein era inexplicable y no fue aceptada inicialmente. La teoría clásica, según la cual la luz consistía en ondas, continuó aplicándose en otros campos con cierto éxito. Sin embargo, la hipótesis de la naturaleza corpuscular de la luz se confirma 17 años después, con el descubrimiento del efecto Compton.