Fisica Cuantica

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Breviario para mis nietos
Ibrahim González-Urbaneja
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LA FÍSICA CUÁNTICA
Edición: Norka Salas
LA FÍSICA CUÁNTICA
ra pre cuántica. En el Siglo XVIII Boyle y Young
desarrollaron la termodinámica. En 1798
Thompson demostró la conversión del trabajo
mecánico en calor y en 1847 Joule formuló la ley
de conservación de la energía.
E
En el campo de la óptica el siglo comenzó con la teoría
corpuscular de la luz de Newton expuesta en su famosa
obra Opticks. Aunque las leyes básicas de la óptica
geométrica habían sido descubiertas algunas décadas antes,
el siglo XVIII fue rico en avances técnicos en este campo
produciéndose las primeras lentes acromáticas, midiéndose
por primera vez la velocidad de la luz y descubriendo la
naturaleza espectral de la luz. El siglo concluyó con el célebre
experimento de Young de 1801 en el que se ponía de
manifiesto la interferencia de la luz demostrando la naturaleza
ondulatoria de ésta.
1526
La investigación física de la primera mitad del siglo XIX
estuvo dominada por el estudio de los fenómenos de la
electricidad y el magnetismo. Coulomb, Luigi Galvani,
Faraday, Ohm y muchos otros físicos famosos. En 1855
Maxwell unificó las leyes conocidas sobre el
comportamiento de la electricidad y el magnetismo en una
sola teoría con un marco matemático común mostrando la
naturaleza unida del electromagnetismo. Una de las
predicciones de esta teoría era que la luz es una onda
electromagnética. Este descubrimiento de Maxwell
proporcionaría la posibilidad del desarrollo de la radio unas
décadas más tarde por Heinrich Hertz en 1888.
En 1895 Roentgen descubrió los rayos X, ondas
electromagnéticas de frecuencias muy altas. Casi
simultáneamente, Henri Becquerel descubría la
radioactividad en 1896. Este campo se desarrolló
rápidamente con los trabajos posteriores de Pierre Curie,
Marie Curie y muchos otros, dando comienzo a la física
nuclear y al comienzo de la estructura microscópica de la
materia.
En 1897 Thomson descubrió el electrón, la partícula
elemental que transporta la corriente en los circuitos
eléctricos, proponiendo en 1904 un primer modelo
simplificado del átomo.
1527
La ecuación más famosa como parte de Walk of Ideas.
Festejando el Año Mundial de la Física en la Isla de los Museos, Berlín
Relatividad y Física Cuantica. A partir de 1900 se
produjeron dos revoluciones conceptuales de gran calado:
El desarrollo de la teoría de la relatividad y el comienzo de
la mecánica cuántica.
La física cuántica surgió a lo largo de la primera mitad
del siglo XX en respuesta a los problemas que no podían
ser resueltos por medio de la física clásica.
La mecánica cuántica es una de las ramas principales
de la física, y uno de los más grandes avances del siglo XX
para el conocimiento humano. Esencialmente explica el
comportamiento de la materia y de la energía. Su aplicación
ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas
tecnologías. La mecánica cuántica es la base de los estudios
del átomo, de los núcleos y de las partículas elementales.
Al físico alemán Max Planck se le ocurrió un truco
matemático de probabilidades: que si en el proceso
aritmético se sustituía la integral de esas frecuencias por
una suma no continua, se dejaba de obtener un infinito como
resultado, con lo que eliminaba el problema; entonces
enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética
es absorbida y emitida por la materia en forma de cuantos
de luz o fotones de energía, mediante una constante
estadística, que se denominó constante de Planck. Fue dada
a conocer el 14 de diciembre de 1900 en una sesión de la
Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín.
En 1905 Albert Einstein, formuló la teoría de la relatividad
especial, en la cual el espacio y el tiempo se unifican en una
sola entidad, el espacio-tiempo. En 1915 extendió la teoría
especial de la relatividad para explicar la gravedad,
1528
formulando la teoría general de la relatividad, la cual
sustituye a la ley de la gravitación de Newton.
En 1911 Rutherford dedujo la existencia de un núcleo
atómico cargado positivamente a partir de experiencias de
dispersión de partículas. A los componentes de carga
positiva de este núcleo se les llamó protones. Los neutrones,
que también forman parte del núcleo pero no poseen carga
eléctrica, los descubrió Chadwick en 1932.
En los primeros años del Siglo XX Planck, Einstein, Bohr
y otros desarrollaron la teoría cuántica a fin de explicar
resultados experimentales anómalos sobre la radiación de
los cuerpos. En esta teoría, los niveles posibles de energía
pasan a ser discretos. En 1925 Heisenberg y en 1926
Schrödinger y Dirac formularon la mecánica cuántica, en la
cual explican las presumidas teorías cuánticas precedentes.
En la mecánica cuántica, los resultados de las medidas físicas
son probabilísticos; la teoría cuántica describe el cálculo
de estas probabilidades.
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La mecánica cuántica suministró las herramientas teóricas
para la física de la materia condensada, la cual estudia el
comportamiento de los sólidos y los líquidos, incluyendo
fenómenos tales como estructura cristalina,
semiconductividad y superconductividad. Entre los pioneros
de la física de la materia condensada se incluye Bloch, el
cual desarrolló una descripción mecano-cuántica del
comportamiento de los electrones en las estructuras
cristalinas (1928).
Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo
un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas.
La teoría cuántica de campos se formuló para extender
la mecánica cuántica de manera consistente con la teoría
especial de la relatividad. Alcanzó su forma moderna a finales
de los 1940s gracias al trabajo de Feynman, Schwinger,
Tomonaga y Dyson. Ellos formularon la teoría de la
electrodinámica cuántica, en la cual se describe la
interacción electromagnética.
Julian Schwinger, Richard Feynman y Shin’ichirM Tomonaga y recibieron el
premio Nobel de física en 1965 por el desarrollo de la electrodinámica cuántica..
1530
La teoría cuántica de campos también suministró las bases
para el desarrollo de la física de partículas, la cual estudia
las fuerzas fundamentales y las partículas elementales. En
1954 Yang y Mills desarrollaron las bases del modelo
estándar.
La Cuántica. La física cuántica, también es conocida como
mecánica ondulatoria, ya que es la rama de la física que
estudia el comportamiento de la materia cuando las
dimensiones de ésta son tan pequeñas, en torno a milésimas
(1.000 ) de átomos, en las que empiezan a notarse efectos
como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición
de una partícula, o su energía, o conocer simultáneamente
su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula
(descrito según el principio de incertidumbre de Heisenberg).
Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y
campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está
deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un
campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.
Dos pilares de esta teoría son:
• Las partículas intercambian energía en múltiplos enteros
de una cantidad mínima posible, denominado por Max
Planck quantum (cuanto) de energía. El espectro de la
radiación del cuerpo negro, –resuelto por Max Planck con
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la cuantización de la energía–, resultó que tomaba valores
discretos más que continuos. Este fenómeno se llamó
cuantización, y los intervalos posibles más pequeños entre
los valores discretos son los llamados quanta (singular:
quantum), de la palabra latina para «cantidad», de la cual
deriva el nombre de mecánica cuántica.
El tamaño de un cuanto es un valor fijo denominado
constante de Planck, y que vale: 6.626 ×10-34 julios por
segundo.
• De otra parte, la posición de las partículas viene definida
por una función que describe la probabilidad de que dicha
partícula se halle en tal posición en ese instante.
Bajo ciertas condiciones experimentales, los objetos
microscópicos como los átomos o los electrones exhiben
un comportamiento ondulatorio, como en la interferencia.
Bajo otras condiciones, las mismas especies de objetos
exhiben un comportamiento corpuscular, de partícula,
–«partícula» quiere decir un objeto que puede ser localizado
en una región concreta del espacio–, como en la dispersión
de partículas. Este fenómeno se conoce como dualidad ondapartícula.
* Las suposiciones más importantes de esta teoría son
las siguientes:
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* Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento
de una partícula, se renuncia al concepto de trayectoria,
vital en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento
de una partícula queda regido por una función
matemática que asigna, a cada punto del espacio y a
cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita
se halle en tal posición en ese instante (al menos, en la
interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la
probabilística o interpretación de Copenhague).
* A partir de esa función, o función de ondas, se extraen
teóricamente todas las magnitudes necesarias del
movimiento.
\
La Mecánica cuántica describe el estado instantáneo de
un sistema (estado cuántico) con una función de onda que
codifica la distribución de probabilidad de todas las
propiedades medibles, u observables. Algunos observables
posibles sobre un sistema dado son: la energía, posición,
momento y momento angular. La mecánica cuántica no
asigna valores definidos a los observables, sino que hace
predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad. Las
propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por
la interferencia de las funciones de onda.
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Dispersión de neutrones. La dispersión inelástica de neutrones en un cristal es el
resultado de la interacción de un neutrón lanzado contra los átomos de la red
cristalina en vibración. En teoría cuántica de campos, el proceso se modeliza de
manera más sencilla al considerar los cuantos de las ondas sonoras del cristal,
los fonones, entendiéndolo como la absorción o emisión de un fonón por el
neutrón.
Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso
del tiempo. Por ejemplo, una partícula moviéndose sin
interferencia en el espacio vacío puede ser descrita mediante
una función de onda que es un paquete de ondas centrado
alrededor de alguna posición media. Según pasa el tiempo,
el centro del paquete puede trasladarse, cambiar, de modo
que la partícula parece estar localizada más precisamente en
otro lugar. Cuando se realiza una medición en un observable
del sistema, la función de ondas se convierte en una del
conjunto de las funciones llamadas funciones propias o
estados propios del observable en cuestión. Este proceso
es conocido como colapso de la función de onda. Las
probabilidades relativas de ese colapso sobre alguno de los
estados propios posibles son descritas por la función de
onda instantánea justo antes de la reducción. Considerando
el ejemplo anterior sobre la partícula en el vacío, si se mide
la posición de la misma, se obtendrá un valor impredecible
x. En general, es imposible predecir con precisión qué valor
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de x se obtendrá, aunque es probable que se obtenga uno
cercano al centro del paquete de ondas, donde la amplitud
de la función de onda es grande. Después de que se ha
hecho la medida, la función de onda de la partícula colapsa
y se reduce a una que esté muy concentrada en torno a la
posición observada x.
* La Interpretación de Copenhague, es la interpretación
probablemente más común y a la que se han adherido la
mayoría de manuales de mecánica cuántica tradicionalmente.
Debida inicialmente a Niels Bohr y el grupo de físicos que
trabajaba con él en Copenhague hacia 1927. Se asume el
principio de incertidumbre y el principio de
complementariedad de las descripciones ondulatoria y
corpuscular –de partículas–.
El mundo moderno de la física se funda notablemente
en estas dos teorías principales, la relatividad general y la
mecánica cuántica.
Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría
cuántica están siendo aún estudiados activamente.
Niels Bohr y Albert Einstein debatiendo la teoría cuántica en casa de Paul
Ehrenfest en Leiden diciembre de 1925 .
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