¿Qué es la física cuántica? » Cienciahoy

La física cuántica es un dominio particular de la física que se ocupa de las unidades fundamentales de materia y energía.

En nuestro mundo, las cosas son bastante sencillas y lógicas. Un automóvil está en reposo o en movimiento, el estéreo está encendido o apagado, un gato está vivo o muerto, en un estado u otro. No hay término medio o una combinación de estados. Pero no se puede decir lo mismo sobre el mundo en el nivel más fundamental, a la escala de la partícula más básica de la que estamos hechos. Aquí, una partícula no existe en un estado u otro, sino en varios estados a la vez. Como explicó Schrödinger, un gato (del mundo fundamental) no estaría ni vivo ni muerto. Existiría entre los dos estados, tanto vivo como muerto. Esto, lo llamó superposición, donde una partícula existe en una combinación de estados. ¿Extraño verdad? Pero este es el extraño mundo llamado mundo cuántico, regido por la física cuántica.

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El gato de Schrödinger: el estado de este gato no puede describirse como vivo o muerto, sino más bien como una mezcla de los dos. Así que el gato de Schrödinger está vivo y muerto al mismo tiempo. (Crédito de la foto: Sudowoodo/Shutterstock)

Se ha convertido en un tema bastante popular en los últimos años y la mayor parte del crédito va a la ciencia ficción. Las teorías del universo alternativo y los viajes en el tiempo ciertamente nos mantienen entretenidos. Pero, ¿qué es exactamente este tema que está alimentando de contenido al mundo de la ciencia ficción?

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¿Qué es la física cuántica?

‘Cuántico’ es una palabra latina cuyo significado literal es ‘cuánto’ pero se usa para hablar de la cantidad mínima de alguna entidad física. Acertadamente, lo usamos para representar las partículas más elementales que son las bases o ‘el mínimo’ de este gran mundo.

Entonces, la física cuántica se ocupa de la base de nuestro mundo: los electrones en un átomo, los protones dentro del núcleo, los quarks que construyen los protones, los fotones que percibimos como luz, etc. Estos constituyen todo de lo que estamos hechos, materia y energía.

Eso suena bastante simple, ¿verdad?

Entonces, ¿en qué se diferencia de la física normal?

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La física cuántica es el estudio de la materia y la energía a nivel elemental (Crédito de la foto: Jurik Peter/Shutterstock)

La física ‘regular’ es la física que se ocupa de las leyes de movimiento de Newton y su mecánica relacionada. Se llama Física Clásica.

Esto constituye la física de nuestra vida ordinaria cotidiana: el rodamiento de bolas, la rotación de la tierra, la mecánica de los motores, etc.

Pero si esta física es tan amplia, ¿por qué fue tan insuficiente?

Sobre los orígenes de la física cuántica

Retrocedamos en el tiempo hasta la década de 1900 para ver el nacimiento de la Física Cuántica. Este fue un momento en que los científicos aún no podían comprender las observaciones del efecto fotoeléctrico. En pocas palabras, el efecto fotoeléctrico es un fenómeno en el que la luz golpea el metal y provoca la eliminación de electrones.

De acuerdo con la física ‘normal’, los electrones deberían comenzar a escapar del metal cuando el brillo de la luz está por encima de un límite suficiente. Pero en realidad, fue el color de la luz lo que determinó si se emitirían o no electrones.

Ilustración científica vectorial del efecto fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico (Crédito de la foto: petrroudny43/Shutterstock)

Fue entonces cuando Albert Einstein recurrió a la ecuación de Max Planck. La ecuación de Planck establece que las ondas de luz transportan energía en pequeños paquetes llamados ‘quanta’. Esto explicaba cómo cada color de luz tenía una cantidad específica de energía asociada con su longitud de onda. Esta energía, a su vez, fue la responsable de que los electrones fueran eliminados.

Einstein usó la ecuación de Planck para proponer que la luz no solo actúa como una onda sino también como una partícula, una partícula que luego se denominó fotón.

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Fundadores de la física cuántica: Planck y Einstein (Crédito de la foto: research Gate)

Desde entonces, los físicos se dieron cuenta de que la física normal no era suficiente para comprender el mundo microscópico.

Llamaron a esta física ‘regular’ como Física Clásica, una física del pasado, ya la que se ocupa del mundo fundamental como ‘Física Cuántica’.

Por lo tanto, este mundo ahora se llama el ‘mundo cuántico’.

¿Qué diferencia a la Física Cuántica de la Física Clásica?

Seamos honestos, nuestros cerebros están hechos para este mundo macroscópico en el que pueden comprender el funcionamiento de un automóvil en una carretera, la mecánica de un bolígrafo, etc., pero no pueden comprender el mundo cuántico.

Por ejemplo, imagina que estás parado frente a una pared enorme y apuntas a llegar al otro lado. Esta pared está rodeada de caimanes mortales en los otros dos lados, por lo que sus únicas opciones son escalarla o hacer un agujero a través de ella. Pero si no tienes la energía suficiente para hacer cualquiera de los dos, no podrás llegar a tu destino, ¿verdad?

Bueno, así es como funciona el mundo macroscópico.

Efecto túnel Kling

Túnel cuántico: una partícula con energía insuficiente que cruza la barrera de energía (Crédito de la foto: Felix Kling/Creative Commons)

Esta lógica es absolutamente correcta en este mundo, pero en el mundo cuántico, una partícula aún puede atravesar una barrera de energía sin suficiente energía. Se llama tunelización cuántica.

Este fenómeno es responsable de la fusión nuclear responsable de la producción de energía de las estrellas.

Así que claramente, cuando nuestra lógica o intuición normal falla, la única intuición confiable sobre la que puede sostenerse el mundo cuántico es… las Matemáticas. El tema de la física cuántica habla en el lenguaje de las matemáticas.

Y desde el nacimiento de la física cuántica, las matemáticas nos han contado varias historias extrañas del mundo cuántico. Por ejemplo, son las matemáticas de la ecuación de Schrödinger las que implican que las partículas en el mundo cuántico no tienen estados definidos.

Entendiendo esto, Schrödinger trató de explicarlo a través de su ejemplo del ‘gato de Schrödinger’ que vimos al principio. De manera similar, son las matemáticas las que implicaron que los estados de dos partículas pueden incluso entrelazarse de tal manera que incluso después de separarse, los estados cuánticos de estas partículas permanecerían conectados. Este fenómeno es conocido como entrelazamiento cuántico.

Enredo cuántico: cuando los estados cuánticos de dos partículas se superponen de tal manera que (los estados) permanecen entrelazados incluso después de separarse.

Enredo cuántico: cuando los estados cuánticos de dos partículas se superponen de tal manera que (los estados) permanecen entrelazados incluso después de separarse. (Crédito: ezphoto/shutterstock)

Física cuántica del mundo Sci-Fi

A menudo hemos visto la dramatización de fenómenos cuánticos inusuales representados en nuestro mundo macroscópico a través de películas y programas de televisión.

Tomemos, por ejemplo, el universo Marvel. Las películas de Marvel son famosas por su uso intensivo de la física cuántica, ¡al menos las palabras, si no la física a veces!

ustedes acaban de poner la palabra meme

Aunque la mayor parte es ficción etiquetada como física cuántica, hay algunas escenas que se basan en conceptos reales. Una de las cuales son las ‘múltiples realidades’ de Doctor Strange.

Primero, comprendamos la física cuántica en la que se basa.

Este tema trata con partículas en términos de probabilidades. Por ejemplo, al hablar sobre la posición de un electrón, un físico dirá: “Es más probable que el electrón exista en este rango de longitud, digamos entre 1 y 3 unidades”. Pero lo mismo puede interpretarse como electrones que existen en diferentes realidades en diferentes posiciones en el rango posible.

Entonces, puede existir en 2 unidades en una realidad mientras que en 3 en otra realidad o cualquier otro número posible entre su rango más probable. En resumen, hay muchas realidades que cubren cada posible posición de la partícula. ¡Mira, las matemáticas y sus implicaciones otra vez! Una magnificación masiva de este concepto es lo que vemos en las múltiples realidades de Doctor Strange. Cada posibilidad de una realidad es un universo separado en sí mismo y por lo tanto tienen múltiples universos.

Doctor Strange (2016) - Película- Screencaps_com

Película: Doctor Strange (Crédito de la foto: Doctor Strange movie/Marvel Entertainment)

Otro uso muy famoso de este concepto está en nuestra amada película, ‘Endgame’ por su idea de viajar en el tiempo. La película entiende que si cambiamos el pasado, también cambiará el futuro. Entonces, si retroceden en el tiempo y matan a Thanos, ¿quién traerá el apocalipsis y por qué alguien viajará en el tiempo para matarlo entonces? Este problema se llama la paradoja del abuelo. David Deutsch dio una solución a esta paradoja. Sí, ese ‘David Deutsch’ mencionado por Tony Stark en la película. Deutsch dijo que la única forma de eliminar esta paradoja es si hablamos de los eventos en términos de probabilidades como hablamos de partículas. Entonces, cambiar el pasado solo tiene una cierta probabilidad de suceder. ¡Eso significa que es posible que ni siquiera hayan podido matar a Thanos en el pasado, hablando probabilísticamente! Entonces, lo inteligente que hicieron fue regresar y traer todas las Gemas del Infinito antes de que fueran destruidas. Luego volviéndolos a la misma hora para evitar cualquier cambio debido a las Piedras que faltan. ¡Hay que admitir que fue realmente inteligente! Vengadores Juego Final

Avengers: Endgame (Crédito de la foto: Avengers: Endgame movie/Marvel Entertainment)

La creciente importancia de la Física Cuántica

La física cuántica ciertamente ha alimentado mucha ficción a las masas en general. Pero también se ha vuelto necesario. Se ha asimilado a otros dominios de la ciencia y todavía se está expandiendo. Por ejemplo, las computadoras cuánticas están destinadas a realizar tareas que son demasiado complejas para una computadora clásica. Existe un gran énfasis en la construcción de un mejor sistema de comunicación utilizando la física cuántica para mejorar la seguridad y la privacidad.

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Computadora cuántica (Crédito de la foto: Bartlomiej K. Wroblewski/Shutterstock)

La producción de energía a través de un reactor nuclear solo podría ser posible gracias al estudio de la fisión nuclear a través de la física cuántica. También está profundamente arraigado en el tema de la astrofísica. Después de todo, la mejor manera de responder a las preguntas del universo es si entendemos sus componentes básicos.

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El estudio del universo requiere física cuántica (Crédito de la foto: Jurik Peter/Shutterstock)

Pero independientemente de si entendemos o no este tema, ciertamente está creciendo en importancia. Con más por venir, es seguro decir que pronto se convertirá en una parte integral de nuestras vidas.

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