La física cuántica ha dado muchos resultados teóricos y prácticos en sus más de 100 años de vida. Nos quedamos con las diez ideas fundamentales y te recordamos más diez artículos imprescindibles que tenemos en Muy Interesante.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico
Creado:19.03.2024 | 07:00
En Muy Interesante tenemos una sección inmensa con múltiples artículos sobre física cuántica. Incluso tenemos un diccionario de física cuántica. Tal vez, para una persona que no sea especialista en el tema es difícil discriminar los resultados importantes de los que tienen menos importancia.
Las matemáticas son necesarias para entender la mecánica cuántica con profundidad. Créditos: virtualphotovirtualphoto
Te ayudamos a que te aclares. En este artículo recogemos el top 10 de resultados de la física cuántica. No están en orden de importancia, pues este criterio podría variar en base a muchos factores.
1. Radiación del cuerpo negro
Sobre este tema te hablamos en ¿Qué es un cuerpo negro?, escrito por Alberto Corbi. Un cuerpo negro es un objeto ideal que absorbe toda la luz que incide sobre él, sin reflejar ni reemitir ninguna. Aunque no existe un cuerpo negro perfecto en la realidad, este concepto es fundamental para comprender la física de la radiación y el comportamiento de la luz.
Los cuerpos negros no emiten radiación electromagnética en un espectro continuo, como se pensaba. A mayor temperatura, mayor intensidad de la radiación y menor longitud de onda de la luz emitida. Esta relación se describe mediante la ley de Planck, una de las leyes fundamentales de la física cuántica. De hecho fue la que dio origen a toda la teoría cuántica: la luz se transmite en "cuantos".
2. Efecto fotoeléctrico
Te lo contamos en el artículo ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? (A Einstein le dieron el Premio Nobel por esto), escrito por Eugenio Manuel Fernández Aguilar.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno físico en el que la luz incidente sobre un material libera electrones de su superficie. Este efecto fue descubierto por Albert Einstein en 1905 y ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica.
El efecto fotoeléctrico se explica por la naturaleza dual de la luz como onda y como partícula. La luz incidente sobre un material puede transferir su energía a los electrones del material, liberándolos de su superficie. La energía de la luz incidente debe ser mayor que la energía de enlace del electrón para que este sea liberado. La clave es la misma que en el caso de la radiación del cuerpo negro: la energía se transfiere en forma de fotones (cuantos de luz).
Einstein y el efecto fotoeléctrico. Créditos: Eugenio Fernández - DesignerEugenio Fernández - Designer
3. Dualidad onda-corpúsculo
También te lo hemos contado en Muy: ¿Qué es la dualidad onda-partícula?, escrito por Eugenio Manuel Fernández Aguilar.
La dualidad onda-partícula es un principio fundamental de la mecánica cuántica que establece que la luz y la materia pueden comportarse tanto como ondas como como partículas. El matemático y físico francés Louis de Broglie fue pionero en la teoría de la dualidad onda-partícula en 1924, proponiendo que, para cada partícula, existe una longitud de onda asociada.
Se ha demostrado en diversos experimentos, como el de la doble rendija, donde la luz se difracta como una onda al pasar por dos rendijas, pero también produce un patrón de interferencia, como lo haría una partícula.
La dualidad onda-corpúsculo fue mejor comprendida gracias al efecto Compton. De ello te hablamos en ¿Qué es el efecto Compton y por qué puede salvarte la vida?
4. Modelo de Bohr del átomo de hidrógeno
Una vez más, te contamos sobre el átomo de Bohr en El átomo cuántico, de Eugenio Manuel Fernández Aguilar.
La física cuántica ha revolucionado nuestra comprensión del átomo, revelando un mundo en miniatura regido por leyes diferentes a las del mundo macroscópico. El modelo de Bohr, pionero en este campo, sentó las bases para comprender la estructura atómica y explicar fenómenos como las líneas espectrales.
Bohr postuló que los electrones solo podían orbitar el núcleo en órbitas circulares de radio específico, desafiando la visión clásica de órbitas planetarias. Esta idea, junto con la cuantización del momento angular y la energía de los electrones, proporcionó una explicación elegante de la estabilidad del átomo y las características del espectro del hidrógeno.
De Broglie extendió la dualidad onda-corpúsculo a toda la materia, algo que es muy difícil comprender. Créditos: PobytovPobytov
5. Principio de Incertidumbre
En este caso tenemos un artículo con un título curioso: ¿Podría la física cuántica salvarnos de una multa de tráfico?, de Alberto Casas.
El principio de incertidumbre, formulado por Werner Heisenberg en 1927, es uno de los pilares fundamentales de la física cuántica que transformó nuestra comprensión del mundo subatómico. Este principio establece que es imposible conocer simultáneamente con precisión tanto la posición como el momento (o la velocidad) de una partícula subatómica. En otras palabras, cuanta más precisión tengamos en la determinación de la posición de una partícula, menos precisión tendremos en la determinación de su momento, y viceversa. Esta relación de incertidumbre es inherente a la naturaleza cuántica de las partículas y no se debe a limitaciones técnicas o instrumentales, sino que refleja una propiedad intrínseca de la realidad cuántica.
6. Principio de exclusión de Pauli
Es un principio fundamental para entender ¿Qué es un bosón? (artículo de José Luis Oltra).
El principio de exclusión de Pauli fue enunciado por Wolfgang Pauli en 1928. Este principio establece que dos fermiones idénticos, como electrones, protones o neutrones (partículas con espín semi-entero), no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente dentro de un sistema cuántico. En otras palabras, dos fermiones no pueden tener todos sus números cuánticos idénticos en un mismo sistema. Esta restricción cuántica tiene implicaciones significativas en la configuración electrónica de los átomos, determinando la distribución de electrones en los diferentes niveles de energía y subniveles orbitales. Por ejemplo, el principio de exclusión de Pauli explica por qué los electrones en un átomo ocupan niveles de energía discretos y cómo se llenan progresivamente los subniveles de energía de acuerdo con la regla de Aufbau y la regla de Hund.
En realidad, sería mejor hablar de indeterminación, en vez de incertidumbre, porque el desconocimiento es inherente a la naturaleza, no a la persona que mide.
7. Ecuación de Schrödinger
En este te traemos el artículo El gato de Schrödinger: más allá de las ecuaciones, de Avelino Vicente.
Erwin Schrödinger formuló la ecuación de Schrödinger, una ecuación fundamental en la mecánica cuántica que describe la evolución temporal de la función de onda de un sistema cuántico. Esta ecuación proporciona una descripción matemática de cómo cambian las propiedades de las partículas cuánticas en el tiempo, y es crucial para calcular y predecir el comportamiento de sistemas cuánticos complejos, como átomos, moléculas y partículas subatómicas. La ecuación de Schrödinger unifica los aspectos ondulatorio y corpuscular de la materia, y su solución proporciona información sobre los niveles de energía permitidos y las probabilidades de encontrar partículas en diferentes regiones del espacio, sentando así las bases para la comprensión y la manipulación de la naturaleza cuántica de la realidad.
8. Teoría cuántica de campos
En el artículo Campos muy cuánticos, de Francisco Villatoro, se puede acceder a una introducción sobre qué es la teoría cuántica de campos.
La teoría cuántica de campos, desarrollada en la década de 1940 por físicos como Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, representa un avance significativo en la comprensión de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Esta teoría proporciona un marco matemático y conceptual para describir las partículas elementales y sus interacciones a través de campos cuánticos, unificando los principios de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad especial de Einstein.
En la teoría cuántica de campos, las partículas elementales se consideran manifestaciones de excitaciones en campos fundamentales que llenan todo el espacio-tiempo. Estos campos cuánticos están sujetos a las reglas de la mecánica cuántica, lo que implica que las partículas pueden ser creadas o destruidas mediante interacciones entre estos campos.
El gato de Schrödinger es un experimento mental.
9. Entrelazamiento cuántico
Este interesante fenómeno se aborda en el artículo Embrujo cuántico. ¿En qué consiste el entrelazamiento?, de Miguel Ángel Sabadell.
Describe una peculiar correlación entre las propiedades de dos o más partículas subatómicas de tal manera que el estado de una partícula está íntimamente relacionado con el estado de otra, incluso si están separadas por distancias enormes. Este fenómeno desafía nuestra comprensión clásica de la realidad y plantea cuestiones profundas sobre la naturaleza fundamental del universo.
El entrelazamiento cuántico surge como consecuencia de la superposición de estados cuánticos, donde una partícula puede estar en múltiples estados simultáneamente hasta que se mide. Cuando dos o más partículas interactúan y luego se separan, sus estados cuánticos se convierten en una superposición entrelazada, lo que significa que no se pueden describir independientemente, sino que forman un único sistema cuántico. Esto implica que si se realiza una medición en una de las partículas para determinar su estado, la otra partícula instantáneamente "conoce" su propio estado, independientemente de la distancia que las separe. Este fenómeno ha sido confirmado experimentalmente en numerosos estudios y tiene aplicaciones potenciales en tecnologías como la criptografía cuántica y la computación cuántica.
10. Superconductividad
Este tema no puede faltar en Muy, así que te lo traemos en el artículo Superconductividad: un mundo muy cuántico, de María José Calderón.
Descubierta por Heike Kamerlingh Onnes en 1911, la superconductividad es un fenómeno cuántico en el que ciertos materiales conductores pierden toda resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas. Este descubrimiento revolucionó la física de materiales y ha llevado a importantes avances tecnológicos, como la creación de potentes imanes superconductores, la tecnología de resonancia magnética (IRM) y la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas en redes de distribución de energía. La superconductividad se describe mediante la teoría de BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que explica cómo los pares de Cooper, formados por interacciones entre electrones, pueden moverse a través del material sin disipar energía, y proporciona una descripción cuántica del fenómeno.
__________
Fuente:
