Tal y como dijo el físico Richard Feynman, parafraseando a Niels Bohr: “Si crees que entiendes la mecánica cuántica, en verdad no la entiendes”. Y es que la física cuántica representa una disciplina de alta complejidad que, en muchas ocasiones, ha despertado múltiples incógnitas y generado grandes confusiones a aquellos que se han adentrado en su estudio.
A su vez, no cabe duda de que se trata de una rama de la ciencia de lo más fascinante, que revela un mundo subatómico no visible ante nuestros ojos, lleno de misterios y maravillas que desafían la compresión de lo más cotidiano. Por esa razón, a pesar de las leyendas de dificultad y embrollo que la envuelven, vale la pena comprender cuáles son las bases del estudio de la física cuántica, pues es un punto clave para entender cuál es el comportamiento y la apariencia real del mundo que nos rodea.
Así, desde la famosa dualidad onda-partícula, hasta el principio de incertidumbre dictaminado por el físico alemán Werner Heisenberg, te presentamos estos cinco puntos clave de la física cuántica que te permitirán entender un poco mejor en que se basa la famosa disciplina.
LA DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA
¿Te imaginas poder ser dos cosas al mismo tiempo? Parece algo imposible, ¿verdad? Pues bien, uno de los principios de la física cuántica indica que, para ciertas partículas, eso no es algo fantasioso y, de hecho, ocurre en realidad. Es el caso de la luz o de los electrones, los cuales, mientras viajan por el espacio podrán comportarse de dos maneras diferentes al mismo tiempo.
Así, por un lado, podrán actuar como pequeñas partículas, tal y como si fuesen pequeñas bolitas o corpúsculos, con una posición y propiedades muy definidas. Pero, al mismo tiempo, podrían comportarse como ondas, tal y como si fuesen ondulaciones en el agua, extendiéndose y difundiéndose por el espacio sin una ubicación precisa.
Se trata de una característica de la materia que se ha hecho visible en ciertos experimentos como, por el ejemplo, los de la doble rendija. El artífice de ellos fue el físico británico Thomas Young, quien, en 1801, lo utilizó para explicar ciertas propiedades de la luz. Sin embargo, en 1961, con mayores conocimientos y un planteamiento más moderno, se utilizó para demostrar la naturaleza dual de la propia luz y de otras partículas de la naturaleza. En él, se dirigieron haces de electrones hacia dos rendijas, observando que, a pesar de ser partículas corpusculares, estos se comportaban como ondas cuando pasaban por las rendijas, produciendo un patrón de interferencia parecido al de las ondas en el agua.
LA SUPERPOSICIÓN CUÁNTICA
Seguramente te suene haber oído hablar de la paradoja del gato de Schrodinger, un experimento mental en el que el científico presenta a un gato atrapado en una caja junto a un tarro de veneno que solo se abrirá si un átomo se descompone. Así, antes de abrir la caja, el gato se encontraría a la vez vivo y muerto, en una especie de estado de superposición, y solamente al abrir la caja y observar el estado del felino, encontraríamos que el sistema de caja-veneno-gato habría colapsado hacia una única solución final: vivo o muerto.
Pues bien, esa idea representa otro de los pilares fundamentales de la física cuántica: un estado en el que un sistema cuántico puede existir de muchas maneras al mismo tiempo. El ejemplo más fácil para entender cómo funcionan estos estados de superposición con los que trabaja la cuántica es el comportamiento de un electrón en un átomo. Así, antes de observarlo, el electrón podría encontrarse en múltiples posiciones alrededor del núcleo, lo que podríamos definir como un estado donde se superposicionan todas las posibles ubicaciones, es decir, una nube de probabilidades en vez de un lugar definido en la órbita. Únicamente al observarlo descubriríamos la posición final, hacia la que habría convergido nuestro electrón.
La superposición es un concepto básico en la computación cuántica, pues se basa en que los qubits, es decir, las unidades básicas de información cuántica, pueden representar muchos estados al mismo tiempo. Este hecho es el que brinda la capacidad de realizar cálculos complejos de forma mucho más rápida y eficiente que los ordenadores más clásicos.
EL ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO
El entrelazamiento es otro de los fundamentos en los que se basa la física cuántica. Se trata de una propiedad que poseerían ciertas partículas y que las vincularía entre ellas, haciendo posible que, al medir una, se conociera de forma automática el estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. Por ejemplo, si dos electrones presentan entrelazamiento cuántico y medimos el spin de uno de ellos (una propiedad relacionada con el movimiento rotatorio de los electrones) obteniendo que va hacia arriba, sabremos de contado que el spin de su electrón entrelazado irá hacia abajo.
Una forma de ver mejor esto es planteando el ejemplo con dos cajas: en una introduces un guante amarillo, y en la otra un guante rojo. Así, si alguien coge una caja y al abrirla se encuentra el guante de color amarillo, sabrás inmediatamente que en la otra está el rojo, sin necesidad de abrirla o estudiarla. Tal y como lo entendería la física cuántica, debemos imaginar que, dentro de ambas cajas, cada guante se encuentra en una superposición de ambos colores, es decir, que es rojo y amarillo a la vez. Si al abrir una de las cajas aparece uno de los colores al azar, se podrá afirmar que, al abrir la segunda, siempre aparecerá el color opuesto, debido a esa fascinante conexión.
EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG
En el año 1927, el físico alemán Werner Heisenberg estableció uno de los pilares que marcarían el estudio de la física cuántica: el principio de incertidumbre. Se trata de una especie de “regla” que dictamina límites en la capacidad para medir ciertos pares de propiedades de una partícula subatómica, como la posición y el momento o la energía y el tiempo.
En términos sencillos, el principio de incertidumbre afirma que cuanta más precisión emplees en el estudio de la posición de una partícula, más inexactitud hallarás en el cálculo de su momento, y viceversa. Esta norma también es aplicable a la energía y el tiempo: cuanta más precisa es la medición del tiempo en un sistema cuántico, menos precisa es la medición de la energía en ese instante, y viceversa.
Se trata de un hecho de lo más revolucionario, pues no poder medir ciertas propiedades de las partículas con precisión se convierte en algo que no depende de los aparatos de medida usados, como es el caso de la física clásica, sino que se asocia a características inherentes de la propia materia. Sugiere, por lo tanto, que el mundo cuántico es algo completamente probabilístico y la precisión a la hora de conocerlo y estudiarlo será siempre algo imposible de lograr.
LA CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA
Si hasta ahora te ha parecido que estas “reglas” que rigen el estudio del mundo de forma cuántica eran disparatadas, este último punto clave no se aleja para nada, y es que, en la física cuántica, la energía de los sistemas no puede tener cualquier valor, sino que unos específicos.
Pero, ¿cuáles son los valores que puede tomar entonces? Para comprenderlo debemos entender cuál es el modelo cuántico del átomo. Fue propuesto por Niels Bohr en 1913, y con él se plantea que los electrones que se mueven alrededor del núcleo solo pueden ocupar ciertos niveles permitidos, llamados “órbitas” o “niveles cuánticos”. Cuando un electrón absorbe energía, como la que proviene de la luz, puede saltar de un nivel a otro superior, y lo mismo cuando la pierde y desciende a una órbita inferior.
Sin embargo, los electrones jamás podrán ocupar niveles de energía intermedios, de ahí que la energía que posean ellos, y por lo tanto los sistemas a los que pertenezcan, cuenten siempre con energías proporcionales a la necesaria para pasar de unos niveles a otros. En física cuántica, a esa cierta cantidad de energía necesaria se le conoce como cuanto, de ahí que se pueda afirmar que los sistemas cuánticos solo pueden poseer ciertos valores de energía: los cuantificados.
