Física cuántica

Nota dedicada al ingeniero Carlitros, El Químico, quien de físico no tiene un pelo.

Tema inagotable de conversación y lectura para este hijo de Lima y Tel Aviv.

La física cuántica es el fundamento de los estudios del átomo y sus partículas elementales.

Es, cronológicamente, la última de las grandes ramas de la física, pues comienza a principios del siglo XX, en que dos de las teorías que intentaban explicar diversos fenómenos, la ley de gravitación universal y la teoría electromagnética clásica, eran insuficientes para esclarecerlos.

La teoría electromagnética generaba un problema al explicar la emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio, la que proviene de la vibración microscópica de las partículas que lo componen.  Usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la energía que emitía esta radiación térmica tendía al infinito si se suman todas las frecuencias que emitía el objeto, con ilógico resultado.

Es en la mecánica estadística donde surgen las ideas cuánticas en 1900.  Al físico alemán Max Planck se le ocurrió un artificio matemático: si en el proceso aritmético se sustituía la integral de esas frecuencias por una suma no continua, se dejaba de obtener infinito como resultado, con lo que se eliminaba el problema; además, el resultado concordaba con lo medido.

El 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.

La idea de Planck habría quedado sólo como hipótesis si Albert Einstein no la hubiera retomado, al proponer que la luz, en ciertas circunstancias, se comporta como partículas de energía independientes (cuantos o fotones).  Fue Einstein quien completó en 1905 las leyes de movimiento en su teoría especial de la relatividad, demostrando que el electromagnetismo era una teoría no-mecánica.  Culminó así la llamada física clásica o no-cuántica.

Usó este punto de vista «heurístico» para desarrollar su teoría del efecto fotoeléctrico, publicandola en 1905, y que le valió el Premio Nobel de Física de 1921.  Esta hipótesis fue aplicada para proponer una teoría sobre el calor específico, la que resuelve cuál es la cantidad de calor necesaria para aumentar en una unidad la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo.

La física cuántica introduce una serie de hechos contraintuitivos que no aparecían en los paradigmas físicos anteriores; con ella se descubre que el mundo atómico no se comporta como creeríamos.  Los conceptos de incertidumbre o cuantización son introducidos por primera vez.

Es la teoría que ha proporcionado las predicciones experimentales más exactas hasta el momento.  Su desarrollo fue obra del esfuerzo conjunto de varios físicos y matemáticos de la época como Schrödinger, Heisenberg, Einstein, Dirac, Bohr y Von Neumann entre otros.  Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría están siendo aún estudiados activamente.

El mundo moderno se funda en dos teorías principales: la relatividad general y la física cuántica, aunque ambas teorías parecen contradecirse.  Los postulados que definen la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría del quántum están apoyados por rigurosa y repetida evidencia empírica.  Sin embargo, se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente.

El mismo Einstein rechazó algunas de las demandas de la física cuántica.  No aceptó la aserción de que una partícula subatómica puede ocupar numerosos espacios al mismo tiempo, ni las consecuencias de entrelazamiento cuántico aún más exóticas de la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen, que demuestra que medir el estado de una partícula puede instantáneamente cambiar el estado de su socio enlazado, aunque las dos partículas puedan estar a una distancia arbitraria.