La física cuántica, o mecánica cuántica, es la rama de la ciencia que estudia la materia y la energía a nivel atómico y subatómico, y sus principios incluyen la dualidad onda-partícula, el principio de incertidumbre, el entrelazamiento cuántico y la cuantización de la energía. Sus aplicaciones se extienden a la electrónica, la tecnología de la información, los microscopios electrónicos y la energía nuclear.
• Es el
estudio del mundo microscópico, es decir, el comportamiento de las partículas
subatómicas y la energía en esas escalas.
• Se
basa en principios que desafían la física clásica, como la capacidad de las
partículas de estar en múltiples estados a la vez (superposición).
Principios clave de la física cuántica
• Dualidad
onda-partícula:
Las partículas pueden comportarse tanto como partículas como ondas.
• Principio de Incertidumbre de
Heisenberg:
No se pueden conocer con precisión dos propiedades de una partícula, como su
posición y su momento(*), al mismo tiempo.
• Entrelazamiento
cuántico:
Dos partículas pueden estar entrelazadas de tal forma que el estado de una
afecte instantáneamente al estado de la otra, sin importar la distancia.
• Cuantización de la
energía:
La energía de un sistema se da en "cuantos", es decir, en paquetes discretos y
no en un continuo.
• Principio de Exclusión de
Pauli:
Establece que dos fermiones idénticos (como los electrones) no pueden ocupar
el mismo estado cuántico simultáneamente.
• Efecto de túnel
cuántico:
Las partículas pueden atravesar barreras que, según la física clásica, serían
infranqueables.
Aplicaciones y tecnologías
• Electrónica: Transistores, microprocesadores y otros dispositivos electrónicos.
• Tecnología de la información: Química computacional.
• Energía: Reactores nucleares.
Este video explica los conceptos básicos de la física cuántica de una manera
fácil de entender:
(*) ¿QUÉ ES MOMENTO?
En física, "momento" se refiere a dos conceptos principales: momento lineal (o
cantidad de movimiento), que es la masa de un objeto multiplicada por su
velocidad, y momento de una fuerza (o torque), que es la tendencia de una
fuerza a causar rotación. Ambos son magnitudes vectoriales y son cruciales
para entender el movimiento y la rotación.
EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
El principio de incertidumbre, también conocido como el principio de
indeterminación de Heisenberg, es una ley fundamental de la mecánica
cuántica que establece un límite a la precisión con la que ciertos pares de
propiedades físicas de una partícula, como su posición y su momento
(velocidad), pueden ser conocidas simultáneamente.
En otras palabras, cuanto más precisamente se mida una propiedad, menor será
la precisión con la que se pueda medir la otra.
Conceptos clave
• Pares de variables
conjugadas:
El principio se aplica a pares de "variables conjugadas", siendo los ejemplos
más comunes la posición y el momento lineal.
• Relación inversa:
La relación es inversa: si se conoce la posición de una partícula con mucha
exactitud, se tendrá una imprecisión considerable en su momento. Por el
contrario, si se mide el momento con alta precisión, la posición será
incierta.
La formulación matemática del principio implica la constante de Plank (h), una
constante fundamental de la física cuántica, lo que indica que esta
incertidumbre es inherente a la naturaleza cuántica de las partículas y no un
límite de los instrumentos de medición.
Implicaciones
• Naturaleza
probabilística:
A diferencia de la física clásica, donde se pueden conocer todas las
propiedades de un objeto con precisión, en el mundo cuántico los resultados
son estadísticos. No se puede conocer el estado exacto de una partícula, sino
solo la probabilidad de encontrarla en una determinada posición o con un
cierto momento.
• No es un error de medición:
La incertidumbre no es un defecto en nuestros aparatos de medida, sino una
propiedad intrínseca del universo a nivel cuántico. Cualquier intento de medir
una propiedad altera el sistema, lo que genera la incertidumbre en la otra
propiedad.
ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos o más partículas
se vinculan de tal manera que el estado de una depende instantáneamente del
estado de la otra, sin importar la distancia que las separe.
Es como si compartieran un único estado, y al medir una, se define al instante
el estado de la otra, creando una conexión de "acción a distancia" que
Einstein describió como "espeluznante".
Cómo funciona:
• Unión fundamental: Dos partículas entrelazadas comparten una conexión profunda.
• Dependencia instantánea:
Si observas o mides una propiedad de una de las partículas (como su espín), al
mismo tiempo se determina la propiedad correspondiente de la otra partícula,
sin importar cuán lejos estén.
• Sin importar la distancia:
Esta conexión no se debilita con la distancia; la influencia es instantánea y
universal entre las partículas entrelazadas.
Analogía simple:
Imagina que tienes dos guantes, un derecho y un izquierdo, y los colocas en
cajas separadas sin saber cuál es cuál. Si envías una caja a la Luna y la otra
se queda en la Tierra, en el momento que abres la caja en la Tierra y ves que
es un guante izquierdo, sabes instantáneamente que el guante de la Luna es el
derecho.
Importancia:
Este fenómeno es fundamental en la mecánica cuántica y ha sido clave para
desarrollar tecnologías cuánticas como la teletransportación cuántica y la
computación cuántica.
CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA
La cuantización de la energía es el principio de la física cuántica que
establece que la energía de un sistema no puede tomar cualquier valor
continuo, sino que solo puede existir en cantidades discretas y específicas
llamadas cuantos.
Estas cantidades son múltiplos enteros de una constante fundamental y explican
cómo la energía es absorbida o emitida por los átomos y electrones en
cantidades limitadas.
Origen y concepto clave:
A finales del siglo XIX, Max Planck propuso que la energía de los osciladores
en un cuerpo negro no era continua, sino que se emitía y absorbía en paquetes
discretos o "cuantos", una idea que revolucionó la física y sentó las bases de
la teoría cuántica.
Einstein amplió esta idea, aplicando la cuantización a la luz, sugiriendo que
la energía de la luz también está cuantizada en paquetes llamados
fotones.
Implicaciones:
• Valores discretos:
En lugar de poder tener cualquier valor, la energía de un sistema cuántico
(como un electrón) solo puede ser un valor permitido de una lista
específica.
• Naturaleza discreta de la
materia y la radiación:
La cuantización también se extiende a otras propiedades, como el momento o el
momento angular, lo que indica la naturaleza discreta de las partículas y la
materia a nivel cuántico.
• Física cuántica:
Este concepto es fundamental para la comprensión de la mecánica cuántica y el
comportamiento de la materia y la energía a escalas atómicas y
subatómicas.
ENLACE:
Mecánica cuántica, en Wikipedia
ENLACE:
Diccionario muy básico de física cuántica, en The Conversation
ENLACE:
Artículos sobre mecánica cuántica, en The Convserartion
ENLACE:
¿Qué es la teoría cuántica?, en National Geographic
ENLACE:
El fascinante mundo de la mecánica cuántica: descubre el impacto del
efecto túnel en nuestra vida cotidiana, National Geographic, España
ENLACE:
¿Puedes estar en dos lugares a la vez? Esto es lo que dice la mecánica
cuántica, National Geographic, España
ENLACE:
La ciencia detrás del mundo cuántico de Ant-Man, National Geographic
ENLACE:
Los frenéticos meses que dieron origen a la física cuántica hace 100
años, BBC Mundo News
ENLACE:
Qué son la superposición y el entrelazamiento, dos de las ideas más
contraintuitivas (y revolucionarias) de la física cuántica, BBC Mundo News
ENLACE:
El "cerebro cuántico", la audaz teoría que puede ayudar a resolver el
misterio de cómo surge la conciencia humana, BBC Mundo News
ENLACE:
Procesador Eagle: cómo es y para qué sirve la computadora cuántica más
avanzada que creó IBM
ENLACE:
La computadora cuántica, el "santo grial" de la informática, está a un
paso de ser construida
ENLACE: ¿Cómo se descubrió que la energía está cuantizada?
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