¿Por qué es tan difícil de entender la mecánica cuántica?

Si lees cómics de ciencia ficción, debes haber notado que las palabras de moda se usan con bastante frecuencia. Palabras como “mecánica cuántica”, “singularidad”, “decoherencia cuántica” y todo eso. Captan la atención de los lectores como nada e introducen una sensación de misterio con respecto a los fenómenos, haciendo que el lector se pregunte sobre el mundo cuántico. Esto contribuye a la narrativa de que QM es difícil.

Bien, desmitifiquemos el mundo cuántico, porque la verdadera belleza de la ciencia no radica en la maravilla de los fenómenos misteriosos, sino en los repetidos intentos de comprenderlos y ampliar los límites del conocimiento.

Cuantización de la energía: rompiendo las leyes establecidas

La palabra ‘cuántica’ en física no es un adjetivo que describa una determinada entidad. En cambio, el cuanto en realidad proviene de la palabra “cuantificado”. En la década de 1900, se descubrió que la energía de los sistemas a microescala (una colección de moléculas, átomos, electrones unidos a un metal, etc.) solo puede tener ciertos valores permitidos.

Imagínese lanzar una pelota de tenis. La velocidad de la pelota podría, en principio, tener cualquier velocidad en el rango continuo de 0 km / ha 150 km / h (de manera realista, basado en la fuerza del brazo). Pero, si la pelota estuviera sujeta a las leyes de la mecánica cuántica, entonces la pelota se movería solo a ciertos valores permitidos, por ejemplo, a velocidades que son múltiplos de 2 km / h (es decir, 2, 4, 6, 8,…) oa velocidades que son exponentes de 3 km / h (es decir, 3, 9, 27, 81,…). Esto significaría que existen algunas velocidades prohibidas a las que la bola no puede moverse. Por lo tanto, la gráfica de velocidad versus tiempo sería una gráfica discontinua. Este fenómeno bastante absurdo es cierto para partículas cuánticas como electrones y protones. A esto se le llama cuantificación de la velocidad. Dado que la energía cinética depende de la velocidad, la cuantificación de la velocidad también conduce a la cuantificación de la energía.

Catástrofe ultravioleta: primer indicio del mundo cuántico

A finales del siglo XIX, los físicos intentaron calcular la energía total emitida por un cuerpo negro ideal. Esto implicó sumar las energías de todos los átomos que constituyen el cuerpo negro utilizando las leyes de la física clásica. Lo que siguió sacudió los cimientos de la física hasta la médula. Se calculó que la energía emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico con su entorno es infinita. En términos sencillos, esto implicaba que la energía emitida por el cuerpo negro es mayor que la energía de todas las estrellas, planetas, cometas, asteroides, etc. en el universo combinados.

La “catástrofe” fue la predicción incorrecta hecha por la teoría clásica a bajas longitudes de onda / altas frecuencias. Indicó que algo era fundamentalmente defectuoso en la física clásica. (Crédito de la foto: Larenmclan / Wikimedia commons)

Este resultado absurdo llevó a los físicos a buscar teorías alternativas. El problema se resolvió cuando Max Planck asumió que los átomos que formaban el cuerpo negro emitían energía con solo ciertos valores permitidos. En términos simples, significaba que se cuantificó la energía emitida por todos los átomos. Simplificando aún más, cada átomo podría emitir ciertas energías permitidas. Esta simple suposición resolvió el problema de la energía infinita y los cálculos teóricos (que anteriormente dieron resultados absurdos) coincidieron con la observación práctica.

Fenómenos extraños a escala cuántica

¿Qué pasaría si le dijeran que tiene una ola asociada a usted? También lo hace tu auto, tu casa, tu ropa. De hecho, toda la materia física del universo tiene una naturaleza ondulatoria asociada.

Interferencia de un solo electrón

La interferencia es la superposición (suma de vectores) de ondas de la misma frecuencia que viajan en la misma dirección.

En este experimento, una fuente emite electrones hacia una película fotográfica mantenida a cierta distancia. Entre la fuente (S) y la película (F) hay una pared (W) con dos agujeros separados por una cierta distancia. La tasa de emisión de electrones se controla de manera que solo un electrón cruza W a la vez. La analogía clásica sería un lanzador de pelota de tenis que dispara hacia una pared con dos agujeros, de modo que a la vez, solo una pelota cruza la pared. Una hoja detrás de la pared registra el área donde golpea la pelota.

El aparato de doble rendija. (Crédito de la foto: NekoJaNekoJa / Wikimedia Commons)

La teoría clásica (pelota de tenis) predeciría que el patrón de golpe obtenido en la hoja sería aleatorio. Extendiendo esta teoría al mundo cuántico (un solo electrón), se esperaría un patrón de impacto aleatorio en la película fotográfica (F).

Pero las observaciones sorprendieron a los físicos. El patrón obtenido en F consistió en áreas de alta y baja intensidad colocadas a una distancia regular. Este patrón es similar al patrón de interferencia causado por ondas de luz. El hecho de que un patrón característico de las ondas fuera causado por partículas (electrones), se concluyó que las partículas también tienen carácter ondulatorio.

El patrón de interferencia debido a un solo electrón. (Crédito de la foto: Dr. Tonomura / Wikimedia commons)

Decoherencia cuántica: destrucción de la observabilidad

Continuando con el experimento de interferencia de un solo electrón, originalmente, el aparato se mantuvo fuera de observación mientras funcionaba. Significa que mientras los electrones se emitían y golpeaban la película F, no se hizo ninguna observación del proceso. Después de que el experimento duró algunas horas, se detuvo y se recuperó la película F. Pero, ¿y si el experimento fuera grabado por una cámara? ¿O observado a simple vista?

Bueno, sorprendentemente, el patrón de interferencia desapareció, o mejor dicho, no se observó ningún patrón como el anterior. En este caso, el patrón fue aleatorio, como en el experimento de la pelota de tenis. En otras palabras, la observación destruye la interferencia. Sin embargo, este no es el caso de las pelotas de tenis. Puede tener tantas cámaras y espectadores como desee, pero el patrón no cambiaría.

Esto sucede porque, en la escala cuántica, cuando los fotones de luz chocan contra el electrón, el electrón se aleja de su camino original. Por lo tanto, en un intento de realizar una medición, se pierde la observación.

Túnel cuántico

Imagínese que una pelota de tenis estuviera restringida para moverse en una habitación con paredes infinitamente altas. No hay forma de que la pelota atraviese las paredes incluso a altas velocidades (no se permite romper la pared). Debido a que cruzar la pared requiere que la pelota esté más alta que la altura de la pared, en realidad es imposible que la pelota se mueva. De manera similar, en la escala cuántica, si un electrón está restringido a un pozo de potencial infinitamente profundo (similar a las paredes), uno podría esperar que el electrón permanezca atrapado para siempre con cero posibilidades (leer probabilidad) de cruzar la pared. Pero QM está aquí para sorprender de nuevo. Existe una probabilidad finita de que el electrón cruce la pared potencial cuando golpee. Esto se observa incluso en la vida real. Se sueldan juntos dos conductores metálicos para inmovilizar la unión. Sin embargo, la soldadura es una barrera potencial. Los electrones tienen una probabilidad finita de cruzar la pared y, por lo tanto, el circuito permanece cerrado y la electricidad fluye.

El efecto de túnel se puede explicar asumiendo que una naturaleza ondulatoria está asociada con el electrón y algunas matemáticas inteligentes. (Crédito de la foto: Yuvalr / Wikimedia commons)

Pensamiento condicionado con la física clásica

Dado que la física de nivel introductorio e intermedio implica la física clásica, resulta más fácil relacionarse con los fenómenos cotidianos utilizando estas teorías. Pero, cuando se introduce por primera vez la mecánica cuántica, invariablemente comienza con postulados sobre la función de onda con los que es difícil relacionarse. Además, dado que las partículas cuánticas no obedecen las leyes clásicas, predecir su comportamiento se vuelve difícil y también lo es comprender el marco matemático de QM. No es fácil pensar en operadores, funciones de onda, etc. sin intentar encontrar una analogía clásica, que no existe.

Si no está acostumbrado a las ecuaciones diferenciales, los números complejos y el álgebra de nivel UG, QM parecerá innecesariamente difícil porque las matemáticas son el lenguaje de la física. (Crédito de la foto: Inkscape / Wikimedia commons)