Teoría Cuántica
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| Max Planck & Albert Einstein |
Es la teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck,
que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos.
El desarrollo formal de la teoría fue obra de los esfuerzos conjuntos de varios físicos y matemáticos de la época como Schrödinger, Heisenberg,
Einstein,
Dirac, Bohr y Von Neumann entre otros.
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| ALBERT EINSTEIN |
Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.
En los siglos XVIII y XIX, la mecánica newtoniana o clásica parecía proporcionar una descripción totalmente precisa de los movimientos de los cuerpos, como por ejemplo el movimiento planetario.
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| MAX PLANK |
Sin embargo, a finales del siglo XIX y principios del XX, ciertos resultados experimentales introdujeron dudas sobre si la teoría newtoniana era completa. Según el modelo del átomo desarrollado a comienzos del siglo XX por el físico británico Ernest Rutherford, los electrones cargados negativamente giran en torno a un núcleo positivo, en órbitas dictadas por las leyes del movimiento de Newton.
En 1902, el físico estadounidense J. Willard Gibbs reconocía la imposibilidad de elaborar una teoría de acción molecular que englobara los fenómenos de la termodinámica, la radiación y la electricidad tal como se entendían entonces.
El primer avance que llevó a la solución de aquellas dificultades fue la introducción por parte de Planck.
Lo que hizo Planck fue diseñar una fórmula matemática que describiera las curvas reales con exactitud; después dedujo una hipótesis física que pudiera explicar la fórmula. Su hipótesis fue que la energía sólo es radiada en cuantos cuya energía es hu, donde u es la frecuencia de la radiación y h es el ‘cuanto de acción’, ahora conocido como constante de Planck.
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| Ernest Rutherford |
En 1911, Rutherford estableció la existencia del núcleo atómico.
El físico francés Louis Victor de Broglie sugirió en 1924 que, puesto que las ondas electromagnéticas muestran algunas características corpusculares, las partículas también deberían presentar en algunos casos propiedades ondulatorias.
El concepto ondulatorio de las partículas llevó al físico austriaco Erwin Schrödinger a desarrollar una ‘ecuación de onda’ para describir las propiedades ondulatorias de una partícula y, más concretamente, el comportamiento ondulatorio del electrón en el átomo de hidrógeno.
Las soluciones de la ecuación de Schrödinger también indicaban que no podía haber dos electrones que tuvieran sus cuatro números cuánticos iguales, esto es, que estuvieran en el mismo estado energético. Esta regla, que ya había sido establecida empíricamente por Wolfgang Pauli en 1925, se conoce como principio de exclusión.
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| ERNST SCHRÖDINGER |
Posteriormente, Schrödinger demostró que la mecánica ondulatoria y la mecánica de matrices son versiones matemáticas diferentes de una misma teoría, hoy denominada mecánica cuántica.
La imposibilidad de determinar exactamente la posición de un electrón en un instante determinado fue analizada por Heisenberg, que en 1927 formuló el principio de incertidumbre.
La mecánica cuántica resolvió todas las grandes dificultades que preocupaban a los físicos en los primeros años del siglo XX. Amplió gradualmente el conocimiento de la estructura de la materia y proporcionó una base teórica para la comprensión de la estructura atómica y del fenómeno de las líneas espectrales.
Los nuevos campos de la física — como la física del estado sólido, la física de la materia condensada, la superconductividad, la física nuclear o la física de partículas elementales — se han apoyado firmemente en la mecánica cuántica.
La mecánica cuántica está en la base de los intentos actuales de explicar la interacción nuclear fuerte y desarrollar una teoría unificada para todas las fuerzas fundamentales de la materia.
Sin embargo existen grandes contradicciones teóricas entre la mecánica cuántica y la teoría del caos, que empezó a desarrollarse rápidamente en la década de 1980. Los físicos teóricos como el británico Stephen Hawking siguen haciendo esfuerzos para desarrollar un sistema que englobe tanto la relatividad como la mecánica cuántica.
Síntesis
A finales del siglo XIX y principios del XX, los físicos se vieron obligados a mirar más allá de la mecánica Newtoniana para una teoría más general.
La teoría cuántica surgió a partir de observaciones y experimentos que no podían explicarse por la aplicación de la física clásica.
Ideas fundamentales de la Física Cuántica:
1. La Energía no es contínua sino que viaja en unidades discretas o quantums.
2. Las partículas elementales se pueden comportan como ondas o como partículas.
3. El movimiento de las partículas es aleatorio.
4. Es Fisicamente imposible saber con exactitud la velocidad y posición de una partícula en un momento dado.Cuanto más se sabe de una, menos se sabe de la otra y viceversa.
5. La observación altera irremediablemente el campo cuántico observado.(Efecto-observador.)
Mientras que la Física de Newton es capaz de calcular la órbita de los planetas y las transformaciones de energía de objetos en movimiento, por su parte la Física Cuántica específica, por ejemplo, de qué manera los electrones envuelven el núcleo atómico.
Parece que la física cuántica no tenga demasiado efecto en nuestro mundo diario hasta que recordamos que toda la materia, incluidos nosotros, no es más que un conjunto de átomos y partículas subatómicas.
Los principios de la física cuántica desafían la lógica e intuición.
Que un fotón se pueda comportar como onda o corpúsculo (dualidad onda-partícula), que no se pueda saber con exactitud la velocidad y posición de una partícula (principio de incertidumbre) o que un electrón pueda traspasar una barrera eléctrica aparentemente infranqueable (efecto tunneling) son cosas de un mundo diferente al que vivimos todos los dias.
Comparto referencias bibliográficas sobre los textos que son referentes y han sido consultados para elaborar este escrito.
- Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1964). The Feynman Lectures on Physics. Vol. 3. California Institute of Technology. ISBN 978-0201500646.
- Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1964). The Feynman Lectures on Physics. Vol. 1. California Institute of Technology. ISBN 978-0201500646.
- Richard Feynman, 1985. QED: The Strange Theory of Light and Matter, Princeton University Press. ISBN 0-691-08388-6. Four elementary lectures on quantum electrodynamics and quantum field theory, yet containing many insights for the expert.
- J. O'Connor and E. F. Robertson: A history of quantum mechanics.
- Introduction to Quantum Theory at Quantiki.
- Quantum Physics Made Relatively Simple: three video lectures by Hans Bethe
- Hawking, Stephen; Penrose, Roger (2010). The Nature of Space and Time
- Ismael, Jann. "Quantum Mechanics". In Zalta, Edward N. (ed.). Stanford Encyclopedia of Philosophy.
- William Moebs, Samuel J. Ling, Jeff Sanny. Editorial/sitio web: OpenStax. Título del libro: Física universitaria volumen 3. Fecha de publicación: 17 nov 2021. Ubicación: Houston, Texas. URL del libro: https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-3/pages/1-introduccion. URL de la sección: https://openstax.org/books/física-universitaria-volumen-3/pages/7-2-el-principio-de-incertidumbre-de-heisenberg.
- Schrödinger E (1935). "Discussion of probability relations between separated systems". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 31 (4): 555–563. Bibcode:1935PCPS...31..555S. doi:10.1017/S0305004100013554.
- Roger Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe, London, 2004.
- Quantum Entanglement at Stanford Encyclopedia of Philosophy.
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