Definición de Física/Mecánica Cuántica

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

La Mecánica Cuántica, también llamada Física Cuántica, se dedica a la comprensión del universo a nivel atómico y subatómico. Las reglas bajo las que funciona el universo a esta escala son muy diferentes a las del mundo macroscópico, es por ello que la descripción de las propiedades e interacciones que ocurren en el mundo subatómico son muy diferentes y muchas veces contraintuitivas. La adjetivación ‘cuántico’ agrupa los elementos y aspectos inherentes a esta materia.

A diferencia de otras grandes teorías de la Física como la Mecánica Newtoniana o la Relatividad de Einstein, la creación de la Mecánica Cuántica no se le puede atribuir a una sola persona, sino que es el resultado del trabajo de muchos científicos que durante años estudiaron y siguen estudiando el misterioso mundo subatómico.

Debido a lo contraintuitivo que resulta el comportamiento del universo a esta escala, la mecánica cuántica se ha ganado la fama de “incomprensible” y muchas veces sus ideas son tergiversadas y llevadas a terrenos que no le corresponden. Niels Bohr alguna vez dijo que “si no te sentías confundido con la mecánica cuántica, entonces todavía no la habías entendido”, Richard Feynman también declaró que “absolutamente nadie entendía la mecánica cuántica”. Pero, ¿Por qué se han dado estas declaraciones?, ¿Cómo es que surge todo esto?

La Catástrofe Ultravioleta y el nacimiento de la Mecánica Cuántica

Hacía inicios del Siglo XX muchos físicos pensaban que la Física ya había logrado explicar absolutamente cualquier fenómeno de la naturaleza. La mecánica clásica de Newton explicaba cualquier sistema físico, la Física Estadística permitía extrapolar la dinámica de las partículas de un sistema a magnitudes macroscópicas que explicaban su termodinámica y la unificación de la electricidad y el magnetismo con las ecuaciones de Maxwell podía explicar cualquier fenómeno electromagnético. Para muchos los problemas a resolver de la Física consistían en sólo mejorar la precisión de las predicciones y las mediciones.

Sin embargo, pronto los físicos se dieron cuenta que en algunos fenómenos las teorías concebidas hasta el momento no terminaban de encajar. El verdadero problema empezó cuando intentaron describir el cómo los objetos emiten radiación electromagnética en función de su temperatura.

Todos los cuerpos que tienen cierta temperatura emiten radiación electromagnética debido al movimiento de sus átomos. Por ejemplo, nosotros emitimos radiación infrarroja debido a nuestra temperatura corporal.

Para intentar estudiar este fenómeno, los físicos crearon un objeto idealizado llamado “Cuerpo Negro”. Consistía en un objeto que absorbía toda la radiación electromagnética externa y toda la radiación que podía observarse de este era exclusivamente producto de su temperatura. Lo más cercano a esto es una caja hecha con un material oscuro que posee un orificio en una de sus caras, toda la radiación que se puede observar a través del orificio es la originada por la temperatura de la caja.

Cuando varios físicos intentaron utilizar los conocimientos adquiridos hasta el momento pare describir la radiación del cuerpo negro se dieron cuenta que la teoría fallaba rotundamente al tratar de explicar los resultados experimentales. Este capítulo en la historia de la Física se conoce como “La catástrofe ultravioleta”

Quien llegó a resolver este problema fue un físico alemán llamado Max Planck. Él supuso que la radiación del cuerpo negro en función de su temperatura se emitía en pequeños paquetes de energía a los que llamó “cuantos”, de hecho, de aquí surge el nombre de “cuántica”. La energía no era una cantidad continua, sino una cantidad discreta que estaba cuantizada.

Los resultados obtenidos para la radiación del cuerpo negro con esta suposición de Planck encajaban perfectamente con lo observado experimentalmente. No obstante, la suposición de que la energía estaba cuantizada no fue bien recibida e incluso el mismo Planck declaró que eso sólo fue un truco matemático que hizo para resolver el problema y que no tenía ningún significado físico.

Esta idea propuesta por Planck quedó muy presente en el ámbito científico de la época. En 1905, Albert Einstein utilizó la hipótesis de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico, años después Robert Millikan demostró que la predicción de Einstein era correcta y ambos fueron galardonadas con el Premio Nobel de Física en 1921 y 1923, respectivamente. También, Niels Bohr utilizó las ideas de Planck para explicar los niveles energéticos del átomo y resolver el problema que planteaba el modelo atómico de Rutherford, y con ello nació el modelo atómico de Bohr.

Además, más tarde los físicos se dieron cuenta de que la luz y las partículas tienen naturaleza dual, es decir, se comportan como partículas y como ondas al mismo tiempo. Esto fue el punto de partida para que el físico austriaco Erwin Schrödinger desarrollara su famosa ecuación que describía los sistemas cuánticos en términos de un objeto llamado “Función de onda”.

La función de onda puede interpretarse como una distribución de probabilidad de los distintos estados en los que puede estar un sistema cuántico. Este comportamiento estocástico del mundo subatómico y el aparente papel que jugaba el observador en las mediciones llevó a que se desarrollaran distintas interpretaciones de la mecánica cuántica.

También, el físico alemán Werner Heisenberg obtuvo su ya conocido “Principio de Indeterminación” que establece que no se pueden medir con absoluta precisión dos magnitudes que están conectadas entre sí, como la posición y la velocidad. Esto implica que al aumentar la precisión con la que se mide, por ejemplo, la posición, aumenta la incertidumbre que se tiene sobre la magnitud de la velocidad.

Con el paso de los años se hicieron nuevos descubrimientos en la mecánica cuántica y se dieron nuevas explicaciones pare fenómenos del mundo subatómico. A pesar del comportamiento probabilístico del universo a pequeña escala, la mecánica cuántica es la teoría física más sólida del momento y la que se ha puesto a prueba con mayor precisión, de esta manera se volvió uno de los pilares fundamentales de la Física Moderna.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Abr., 2016.

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