Física cuántica - Explicación y definición de la física cuántica

¿Qué es la Física Cuántica?

La física cuántica se define como la rama de la física que se ocupa de estudiar y explicar el comportamiento a nivel microscópico de los átomos y de las partículas subatómicas y elementales, también conocida como mecánica cuántica sus leyes están basadas en probabilidades rompiendo con todos los esquemas establecidos en la física clásica.

La física clásica es la ciencia que se ocupa de estudiar y predecir el comportamiento de los objetos macroscópicos que nos rodean mediante leyes matemáticas, gracias a la física clásica podemos predecir con exactitud la velocidad de un avión, la órbita de la luna o cual es la gravedad en Júpiter, su principal característica es que es una ciencia determinista, es decir se puede calcular con exactitud valores como la velocidad o posición de un objeto y por lo tanto su trayectoria.

Por otro lado, tal y como se indica en la definición de la física cuántica, esta se ocupa de estudiar el comportamiento de objetos microscópicos como los átomos, electrones, quarks o fotones, a este nivel microscópico las leyes de la física clásica no sirven puesto que son incapaces de predecir el comportamiento de estas partículas, siendo su principal característica la indeterminación de valores como la posición o velocidad de una partícula. Por ello la principal diferencia de la cuántica respecto a la clásica es que esta última es una ciencia determinista y la primera es probabilística.

A nivel microscópico las partículas fundamentales como los electrones o los fotones se comportan de una manera extraña, desconcertante y mágica, no teniendo nada que ver con la concepción que tenemos de nuestra realidad, por ejemplo;

• El fenómeno de superposición nos indica que un electrón puede estar al mismo tiempo presente en tu casa, en el pico más alto del Everest o en la superficie de Júpiter, es decir una partícula está presente en muchos lugares a la vez con diferentes probabilidades siempre y cuando no sea observada.

• El fenómeno de entrelazamiento nos indica que un electrón que se encuentra en nuestro ordenador puede estar entrelazado con otro electrón ubicado en un planeta distante a 400 años luz, cuando modificamos el estado de alguno de los electrones el otro cambia instantáneamente.

• El efecto túnel nos afirma que un electrón puede atravesar en ocasiones muros o paredes delgadas de energía como si fuera un fantasma, esto se debe a la dualidad onda-partícula que confirma la mecánica cuántica.

Aunque parezca increíble todos estos principios y fenómenos cuánticos se han comprobado con numerosos experimentos, confirmándose cada uno de ellos, por ello numerosos científicos aseguran que la mecánica cuántica es la ciencia más exacta jamás descubierta por el hombre.

Gracias a estas mágicas propiedades que dispone el mundo microscópico, el ser humano ha desarrollado instrumentos increíbles, por ejemplo el microscopio de efecto túnel nos permite visualizar a escalas nanométricas los átomos que componen un material distinguiéndose claramente unas de otras, en un futuro podremos enviar información instantánea de un sistema solar a otro gracias al efecto del entrelazamiento cuántico, por otro lado mediante el fenómeno de superposición los investigadores están desarrollando ordenadores cuya potencia de cálculo superará a todos los ordenadores del mundo conectados al mismo tiempo.

Todo esto no es ciencia ficción, ya hemos desarrollado ordenadores cuánticos que funcionan correctamente con una potencia 3600 veces superior a un microprocesador de 8 núcleos, hemos teleportado el estado de un fotón a casi 100 km de distancia, en poco tiempo veremos como la mecánica cuántica iniciará una revolución que cambiará nuestra manera y hábitos de vida.

Historia de la física cuántica.

El inicio de la física cuántica comienza en el año 1900 cuando el físico Max Planck presenta en Berlin los estudios llevados a cabo para explicar el fenómeno de radiación del cuerpo negro, Planck descubrió que la energía de radiación no era continua sino discontinua y está formada por diminutos paquetes indivisibles a los que denominó "cuanto", siendo un valor fijo y constante conocido como h = 6,26 x 10^-34 J*s. La física cuántica debe su nombre al concepto de "cuanto" descubierto por Max Planck.

El concepto de "cuanto" expone que cuando viertes agua en un vaso esta no fluye constantemente sino lo que ocurre es que caen pequeños paquetes o cuantos de agua de manera discontinua, en este simil el agua representa a la energia, esto para los físicos de principios del Siglo XX supuso una revolución radical de su concepción del universo.

Posteriormente el gran físico Albert Einstein utilizó el concepto de cuanto descubierto por Max Planck para imaginar que la luz estaba compuesta por pequeñas partículas de energía cuantificadas a las que llamó fotón, de tal forma que pudo explicar el fenómeno fotoeléctrico otorgándole el premio nobel de física en el año 1932. Posteriormente Einstein fue un acérrimo luchador contra el universo que propone la teoría cuántica, son famosas las discusiones que mantuvo con el físico Niels Bohr.

En el año 1926 Schrödinger desarrolló la famosa ecuación ondulatoria en donde se confirmaba que una partícula como el electrón es también una onda, durante sus estudios el mismo Schrödinger no entendía los resultados que arrojaban sus ecuaciones pero tras numerosas revisiones no encontraba ningún fallo y actualmente nadie lo ha podido encontrar. Schrödinger representó matemáticamente el efecto de superposición cuántico en donde se afirma que una partícula es a la misma vez una onda y un corpúsculo siempre y cuando no sea observada.

En el año 1927 el físico Werner Heisenberg presenta su principio de Incertidumbre el cual indica que es imposible conocer con exactitud la velocidad y la posición que tiene una partícula, cuanto más conoces su posición menos conoces su velocidad y viceversa, este principio rompe con todas las leyes aplicables al mundo macroscópico donde podemos predecir con exactitud tanto la posición como la velocidad de un objeto y por ende su trayectoria, en cambio el principio de incertidumbre afirma que es imposible conocer la trayectoria de una partícula.

Numerosos físicos y científicos del Siglo XX han profundizado sobre esta rama de la ciencia aportando nuevas leyes y fenómenos cuánticos asi como experimentos que lo avalaban, físicos de renombre como Niels Bohr, Louis de Broglie, Max Born, Paul Dirac, Jhon bell o Richard Feynman entre otros.

Aplicaciones de la física cuántica.

Aunque no lo parezca la mayoría de los dispositivos y objetos que utilizamos y vemos en nuestro día a día estan basados en algún principio o fenómeno de la física cuántica, por ejemplo el funcionamiento del laser se basa en la mecánica cuántica y se utilizan en reproductores de cd y dvd, escáneres de códigos de barras utilizados en los centros comerciales, herramientas de corte y soldadura utilizadas en la industria o bisturíes de laser utilizados en el campo de la medicina.

El desarrollo de los transistores, elemento fundamental de todos los microprocesadores que utilizar todos los aparatos electrónicos como nuestro ordenador, el desarrollo de los relojes atómicos con alta precisión así como los termómetros ultraprecisos son entre otros ejemplos donde la mecánica cuántica ha desempeñado un papel fundamental en su desarrollo.

Las placas solares, detectores de movimiento, sistemas de control de calidad automáticos en líneas de producción continuas como detección de productos rotos y defectuosos, envases vacios u otros, sistemas de alarmas contraincendios o incluso para la medición de las estrellas lejanas a nuestro planeta basan su funcionamiento en el efecto fotoeléctrico explicado gracias a la física cuántica.

Otro de los ejemplos que se aplica la mecánica cuántica son las memorias USB que utilizamos en nuestro ordenadores, estas pequeñas memorias flash capaces de almacenar cantidades ingentes de información utilizan el efecto tunel para proceder al borrado de las diversas celdas que las componen de tal forma que podamos reutilizarlo tantas veces como queramos.

El futuro próximo nos espera el desarrollo de ordenadores cuánticos con una potencia de cálculo ilimitado, gracias a ellos podremos predecir con gran exactitud el comportamiento del clima a largo plazo, diseñar fármacos y medicinas a nivel molecular con propiedades altamente curativas o podremos simular a la perfección fenómenos naturales altamente complejos como la formación de las galaxias.

Por otro lado en un futuro muy próximo dispondremos del llamado Internet cuántico donde las comunicaciones serán totalmente seguras e instantáneas, en cuestión de milisegundos podremos descargar millones de Mb de información y donde la criptografía cuántica harán un Internet totalmente seguro.