NOTICIAS DE LA CIENCIA

Canal de noticias de la NASA Canal de noticias de MUY Interesante Canal de noticias del NOAA - Vigilancia atmosférica

NOTICIAS DE LA INGENIERIA

IEEE Spectrum magazine PING - Proyectos de Ingeniería

Artículos destacados en Ingeniería y Ciencia

Todo lo que siempre quiso saber sobre Mecánica Cuántica y nunca se atrevió a preguntarlo

Manuel Blázquez - Ciencia e Ingeniería

12 de Abril de 2012

La mecánica cuántica es la parte exótica y desconocida de la Física. En un Universo regido por leyes universales, este área de la Ciencia intenta desvelar muchos de sus misterios. Sepa qué es y en qué consiste.



En la Grecia clásica, Demócrito se decidió a hacer un experimento. Cogió un trozo de pan y lo partió por la mitad. Cogió la mitad y la partió en dos mitades. Y realizó esa misma acción de forma sucesiva hasta que su cuchillo no pudo partir más mitades. Pero su mente seguía partiendo mitades. Y concluyó: “Esto tiene que tener un fin, tiene que haber un trozo de pan suficientemente pequeño que no pueda ser partido en más mitades”. Al trozo de materia más pequeño que se podía imaginar lo denominó indivisible, que en griego se expresa como “átomo”.

Los precedentes de la mecánica cuántica

A principios del siglo XX, la física del átomo, gracias a Rutherford, reconocía la existencia de partículas subatómicas como los protones y los neutrones que forman parte del núcleo del átomo, la parte atómica más masiva, situando a los electrones girando alrededor de este. Esta idea formaba parte de la mecánica clásica, que parecía haber llegado a dar respuesta final a cuestiones como la composición de la materia, la conservación de la energía, en un universo infinito de edad infinita.

El modelo atómico clásico propuesto por Rutherford no terminaba de ser satisfactorio para definir la mecánica del movimiento de los electrones en los átomos. Uno de los problemas que no podían ser descritos por los modelos clásicos, tal y como apuntó Niels Bohr, era por qué cualquier electrón en órbita alrededor del núcleo no terminaba por perder energía y ser absorbido por el núcleo.

Respecto a la entonces joven teoría electromagnética, ya Michael Faraday había sido el primero en unificar la electricidad y el magnetismo como una única teoría, posteriormente ampliada por James C. Maxwell. El electromagnetismo se transfería sin necesidad de emplear materia para ello y lo hacía por medio de ondas. Entre estas ondas electromagnéticas, la luz jugó desde un principio un lugar destacado en la investigación de principios de siglo XX.

La puesta en escena de la mecánica cuántica

En este ámbito, en 1900, el físico alemán Max Planck propuso que la luz es absorbida y emitida por la materia en forma de paquetes de luz, es decir energía, con lo que se complementaba la definición dual de la luz, corpuscular-ondulatoria, hasta entonces tratada como una onda electromagnética más. A estos paquetes cuantificables, Planck los denominó cuantos de energía.

Einstein, por otro lado nunca estuvo totalmente de acuerdo con las bases de la mecánica cuántica, aunque se hizo eco de los planteamientos teóricos de sus contemporáneos para relacionar la energía y la materia mediante la teoría de la relatividad. Ya predijo en 1905 que el electromagnetismo no era una disciplina explicable por medio de la mecánica clásica. Posteriormente De Broglie, utilizando la constante presentada por Planck, indicó que cualquier partícula en propagación se comportaba como una onda electromagnética.

Las particularidades de la mecánica cuántica

Pero a la hora de expresar de forma determinada el comportamiento de las partículas, la recién nombrada mecánica cuántica se particularizaba por sostener el principio de incertidumbre, es decir, no era posible medir a la vez todas las propiedades de los átomos de forma precisa. Hasta entonces, la mecánica clásica asociaba los parámetros de espacio y de tiempo en una partícula a su propia trayectoria. Es decir, se suponían caminos determinados por los que transcurrían los movimientos de las partículas.

La mecánica cuántica ofrecía una visión totalmente diferente dado que la partícula tenía asociada una función matemática que ofrecía la probabilidad de localizarla en un lugar en el espacio y en un momento dado del tiempo.

Esto explica la relación entre la energía y la materia de forma cuántica. Un electrón puede sufrir una alteración en su nivel de energía por lo que su estado cambia. Esta fase discontinua se denomina salto cuántico y se caracteriza por la emisión o absorción de radiación electromagnética en forma de luz. Ese cuanto de luz se denominó fotón.

Y esa actividad energética es perfectamente visible cuando por medio de la electricidad se hace conducir una corriente eléctrica por un conductor con alta resistividad, como por ejemplo un material incandescente o un diodo semiconductor emisor de luz, también conocido como diodo LED. La energía trasladada por las cargas eléctricas o electrones, sufren un salto cuántico, permitiendo la emisión de radiación luminosa en el espectro visible.

El exotismo de la mecánica cuántica

En resumen, desde el punto de vista matemático, la mecánica cuántica contradice por completo las afirmaciones de Newton relacionadas con la continuidad espacio-temporal de la materia y de la energía. La mecánica cuántica ofrece funciones de distribución estadística sobre la probabilidad de ocurrencia de sucesos en vez de regirse por ecuaciones matemáticas rígidas. Pero, ¿por qué ese cambio a la hora de determinar simples sucesos, situaciones o momentos en que ocurren las cosas?

Por una también simple respuesta. Porque el mero hecho de medir estos sucesos, situaciones o momentos, altera el estado de las cosas. Y el ejemplo del famoso gato de Schrodinger, propuesto por el científico en 1937, define perfectamente este fenómeno.

Un gato se encierra en una caja. En la caja se instala un dispositivo detector de radiación de partículas alfa emitidas por medio de ondas. Si el sensor detectar una partícula alfa, activará un sistema interior que romperá un frasco de gas venenoso, por lo que el gato morirá con total seguridad. Además, si se abre la caja, un mecanismo de apertura de la caja también romperá el frasco.

Si se emite hacia el detector una radiación con probabilidad de emitir partículas alfa del cincuenta por ciento, podríamos asegurar que el gato tiene un 50% de posibilidades de sobrevivir. Pero, no podemos saber si esto ha ocurrido si no abrimos la caja, con lo que al abrirla el gato moriría. Esto es conocido como una paradoja de la que no se puede salir fácilmente.

La mecánica cuántica y sus planteamientos ofrecen una solución a este embrollo. El estado del gato es definido como vivo y muerto a la vez mientras nadie mire en el interior de la caja, es decir, mantiene como probable ambos estados gatunos y los denomina estados cuánticos.

Trasladando esta paradoja a la Física, la mecánica cuántica plantea, en definitiva, que la materia soporta una naturaleza ondulatoria de la misma forma que en determinadas circunstancias las ondas se comportarán como partículas.

Ante estas afirmaciones, en medio de un debate intelectual, Einstein, no convencido con la nueva mecánica presentada dijo: “Dios no juega a los dados con el Hombre”, dando a entender que el azar no debe ser parte del método científico. Algunos autores recogen una posible probable respuesta de Bohr hacia Einstein en estos términos: “Einstein, deja de decirle a Dios qué tiene que hacer con sus dados”.

Este artículo ha sido publicado anteriormente por el autor en Suite101.net y recibió un premio destacado por su calidad divulgativa.