Física cuántica para tontos

La física cuántica es uno de los mas grandes giros, luego de la teoría de la relatividad, que ha pasado en la historia de la ciencia.

A principios del siglo XX se pensaba que se tenía todo completamente claro.

Muchos no conocen esta historia ni mucho menos ¿Qué es la física cuántica? qué estudia ni para que sirve.

ondas física cuántica


En el siguiente post te daremos un repaso a este intrigante y muy complejo mundo que nos ha llevado a los lugares mas recónditos y maravillosos de un universo que no conocíamos hasta hace no menos de 100 años.


¿Qué es la física cuántica?


Primero lo primero chicos, lo mas básico para no perdernos, porque se los advierto, se pondrá complicado si no sabemos los conceptos mas básicos.

La física cuántica, o mecánica cuántica, es el estudio del mundo microscópico o estado fundamental de la materia, en donde las leyes que conocíamos y que creíamos eran universales y se aplicaban a todo, no son válidas. O por lo menos no se cumplen como pensábamos.


Hasta ahora todo bien por ese lado, pero ¿por qué se dice que la mecánica cuántica es complicada?

En la escala atomica el comportamiento de las partículas que componen la materia, los átomos, moléculas, electrones, protones, etc, hace que el estudio de la mecánica cuantica sea un poco incomprensible y enreversado. Sus conceptos chocan con las nociones que nos resultan familiares porque derivan de las observaciones que hacemos cotidianamente de la naturaleza en la escala macroscópica.


¿Como surgió la física cuántica? 


A comienzos del siglo XX, se pensaba que se tenía todo claro, se pensaba que el movimiento estaba regido por una serie de leyes que creíamos universales y absolutas. Sin embargo, unos científicos revolucionarios de la época empezaron a hacerse las preguntas correctas para hacer temblar las bases de la física y el mundo.


La catástrofe ultravioleta


Los problemas de la física clásica surgieron cuando una serie de problemas eran inexplicables bajo sus preceptos. Estos problemas tan complejos se encontraron paradójicamente en los objetos mas simples y cotidianos

Uno de estos objetos era la Bombilla eléctrica. Los científicos eran incapaces de explicar por qué cuando calentaban el filamento de una bombilla, esta irradia una luz de color rojizo-amarillento.

Queriendo buscar la sulución a este problema entra en escena un personaje llamado Lord Raileigh, autor de lo que se llamó la catástrofe del ultravioleta.

Lord Raileigh se preguntaba por qué al calentar diferentes objetos a diferentes temperaturas, estos irradiaban diferentes longitudes de onda (o como dirían algunos, diferentes colores, pero esto es un blog de ciencia y tecnología, así que empecemos a hablar como tales).


En el electromagnetismo clásico, un cuerpo negro ideal debería emitir todos los rangos de frecuencia, de esta forma al seguir calentando el material veríamos un cambio de longitudes de onda en cada rango de temperaturas.

La ecuación obtenida fue la siguiente:

catastrofe ultravioleta

Donde:

[I(v)] es la rediancia espectral
[T] es la temperatura
[KB] es la constante de Boltzman
[C] la velocidad de la luz

De acuerdo con esta ecuación, llamada la ley de Rayleigh-Jeans, la densidad de energía emitida para cada frecuencia debía ser proporcional al cuadrado de la última, lo que implica que las emisiones a altas frecuencias, el ultravioleta, deberían ser portadoras de grandes cantidades de energía.

Todo esto parecía estar bien, pero al sumar las emisiones de todos los rangos de frecuencia, los valores tienden al infinito.

En conclusión, los rayos ultravioletas eran ondas con energía infinita y esto era un hecho imposible pues se sabía que la tierra era bombardeada por estos rayos a cada instante

Max planck, el papá de la cuántica


Aunque muchos de ustedes puede que les parezca algo innecesario saber sobre la catásatrofe del ultravioleta, fue esta quien impulsó a Max Planck a pensar en ideas mas radicales y revolucionarias que llevaron a fundar las bases de un nuevo paradigma.

Max Planck, un físico alemán, pensaba que si aumentaban la temperatura en un cuerpo, estos tendrían mas energía y por ende, la longitud de onda irradiada sería mayor, es decir, en tonos de azul. Sin embargo no se explicaba por qué la luz de los objetos calientes irradiaban de un color rojo.


Tampoco podía explicar por qué si aumentaba la temperatura, los objetos desprendían menor cantidad de luz.

Fue Planck el que reacomodó el planteamiento de Rayleigh y demostró que no importaba el material que esté hecho el objeto radiante, estos irradirán la misma longitud de onda si están a una misma temperatura.

Para sus trabajos, se basó en la hasta ahora irrefutable teoría electromagnética de Maxwell, de la cual hablaremos en otro momento, aunque en estas ecuaciones no había nada que relacionase la energía con la frecuencia, Max logró llegar a un resultado que ni el mismo sabía la magnitud de tal expresión.

Plasmó en ella su lógica y llegó a la expresión de que la energía debía ser igual a la frecuencia por una valor h desconocida por ahora.

E = hf

Luego de realizar sus experimentos se dió cuenta que h, ahora conocida como constante de Planck, era una constante que se repetía en todas las pruebas que realizó. este valor de h era de 6.6256.62606957(29)×10-34 J.s (Joule x Segundos)

Esta búsqueda por la explicación de los cuerpos brillantes llevó a Max Planck a encontrar una verdad mucho mas grande de lo que el se imaginaba, una verdad nueva y fundamental sobre la naturaleza.

La luz es emitida y absorbida en paquetes discretos de energía y esto es igual tanto para una simple bombilla como para el Sol.

Esta idea era radical y reveladora y no esperó mucho para su confirmación.

El efecto fotoeléctrico


No fue por sus trabajos en la Teoría de la relatividad lo que hizo merecedor a Einstein de su premio Nobel de física sino su explicación del efecto fotoeléctrico en 1921.

Einstein formuló que para que un electrón escape de un metal, este debía ser excitado por un paquete para que le suministrara la cantidad de energía necesaria llamada trabajo de extracción.

Si un electrón absorbe energía suministrada por una luz ultravioleta con la energía dada por la ecuación de Planck, sería mas que suficiente para salir del metal.

esquema efecto fotoeléctrico
Esquema del efecto fotoeléctrico

Esta solución fue comprobada por Robert A. Milikan cuando midió la energía de los electrones despedidos de diferentes metales.

No sólo comprobó que cada metal tiene un trabajo de extracción diferente sino que la constante de planck tiene un valor universal para cada material.

Esto comprobó la teoría de planck y que los paquetes discretos de energía existían. En palabras menores, la luz llega a nosotros en partículas que luego de un tiempo se llamaron fotones.

¿No era la luz una onda?

Louis V. de Broglie y la dualidad onda-partícula


Louis de Broglie fué un físico francés que en la década de 1920 planteó que como la luz podía ser una partícula y una onda al mismo tiempo, entonces era posible que otras partículas como los electrones tambien sean ondas y partículas al mismo tiempo.

Lo que mas impresinó del descubrimiento de De Broglie fue que mezcló varias teorías que fueron la de la relatividad de Einstein y la de Planck. Descubrió que no solo las partículas se pueden comportar como ondas sino que las ondas tambien se pueden comportar como partículas.

Este planteamiento explicó casi que por axidente la teoría del átomo de Niels Bohr.

Niels Bohr estaba convencido que los electrones giraban alrededor del núcleo del átomo y estos lo hacían en órbitas así como los planetas lo hacen alrededor del Sol.

No todas las órbitas estaban permitidas, solo las órbitas de determinados tamaños, solo esas y no existían espacios intermedios.

Así Louis De Broglie había explicado elegantemente el modelo de Neils Bohr del átomo.

Erwin Schrodinger y la mecánica cuántica


El físico austríaco tomó las ideas de la teoría de De Broglie e ideó su propia teoría, esta teoría es la base de la mecánica cuántica.

Esta teoría es muy compleja y difícil de explicar de una manera sencilla pues su ecuación es bastante complicada y es necesario tener un conocimiento extenso en matemáticas avanzadas.

En resúmen, Erwin Schrodinger dió origen a la mecánica ondulatoria, o mecánica cuántica, al representar en una ecuación la evolución a través del tiempo de las partículas con un comportamiento ondulatorio.

Evolución onda tiempo
Evolución temporal de una onda

Esta ecuación ademas describe la naturaleza de los electrones, de los fotones y la materia de la que está compuesta el universo.

Esta ecuación ha tenido gran renombre en parte gracias al experimento mental llamado el gato de Schrodinger, este experimento era una forma de graciosa, por decirlo de alguna manera, de comentar que algunos eventos ocurren solo porque se observan, si no hay nadie para verlos, no existieran. Se originó a raíz de una correspondencia con Albert Einstein en 1935.

El experimento de la doble rendija


Un experimento que tenía en ascuas al mundo científico era el de la doble rendija.

Este experimento ponía a prueba la cordura de cualquier persona pues es un experimento que desafiaba toda lógica y era algo que jamás se había visto.

El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en este experimento se comprobó que la luz al pasar por dos rejillas se difracta. Este resultado contribuyó enormemente a la teoría de la dualidad onda partícula de la luz.

Patrón de interferencia
Patrón de interferencia de una onda plana al pasar por dos rendijas

Cuando este experimento se realizó con electrones se produjo el mismo patrón de interferencia que cuando se realizó con luz blanca. Esta era otra prueba de que los electrones se comportan como partículas al chocar con la lámina, que se encuentra luego de las dos rendijas, y como ondas al pasar por la doble rendija.

Patrón de interferencia
Patrón de interferencia de una lámina al bombardearla con electrones. Los puntos blancos son los lugares por donde se detectó un electrón. En la parte "e" se puede observar el patrón de interferencia.

Estos resultados fueron motivo de mucha discusión por parte de los científicos pues lo que revelaba no era alentador para muchos.

Al realizar el experimento de la doble rendija muchas veces, a demás que cada uno de los patrones obtenidos eran diferentes, se logró observar que habían zonas que tenían mayor probabilidad de detectar un electrón, estas zonas quedaban bien marcadas y se diferenciaban bien del resto.

Max Born al ver este experimento y concluyó que:
Los fotones podían ser partículas pero su naturaleza es azarosa y crean estos patrones de interferencia como si de ondas se tratasen.


El principio de incertidumbre de Heisenberg


En 1925 el físico alemán Werner Heisenberg, colega de Max Born, complementó la teoría de Born y para agregarle mas complejidad al estudio de las partículas subatómicas, enuncia lo que hoy conocemos como la relación de indeterminación de Heisenberg o principio de incertidumbre.

Este dijo que como las partículas están asociadas a las probabilidades que crean estos patrones de interferencia, es imposible que algunas magnitudes físicas medibles puedan ser conocidas con exactitud.


La posición y el momento lineal son uno de estos pares que no pueden ser medidos con precisión simultáneamente.

Este principio no tiene un análogo, algo parecido con que compararlo, en el mundo macroscópico y es una de las diferencias que existen entre física clásica y la física cuántica.

Conclusiones

Este gran viaje que inició Max Planck para develar el misterio de los objetos radiantes condujo a uno de los descubrimientos mas grandes del siglo pasado.

Varios de sus protagonistas y que tuvieron grandes avances en la física cuántica se negaron rotundamente a aceptar las implicaciones de sus teorías. Entre ellos Albert Einstein y Max Planck.

Albert Einstein se negaba a la idea de que la naturaleza misma tenía un comportamiento aleatorio, de aquí una de sus grandes frases que reza:

Dios no juega a los dados

Esta teoría es mucho mas amplia de lo que aquí se expuso, dependiendo de la acogida que tenga, se ampliarán los temas.

Si quieres saber a profundidad mas del tema te recomendamos leer libros como el de "Fundamentos Cuánticos y Estadísticos" de Marcelo Alonso y Edward J. Finn o "Quantum physics" de Stephen Gasiorowicz. Estos libros son un poco avanzados, necesitas conocimientos duros en matemáticas, y están orientados a estudios mas formales en la materia.
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