Para poder llegar a vislumbrar que es ese concepto tan estrambótico y tan poco conocido del que tanto se habla en la actualidad, necesitamos aprender primero ciertas nociones básicas sobre la naturaleza. Pero, ¿sabemos realmente de qué se trata o qué es exactamente la mecánica cuántica?.
La mecánica cuántica es una rama de la física que estudia el comportamiento y la naturaleza de las partículas fundamentales de la materia. Sabiendo esto, la siguiente pregunta que cabe plantearse es ¿De que está hecha la materia?.
La parte más pequeña en la que se puede dividir cualquier objeto material y seguir siendo materia es el átomo, por lo tanto se dice que la materia está compuesta de átomos:
-El átomo está compuesto por un nucleo formado por los nucleones (protones y neutrones) y uno o varios electrones que orbitan alrededor del mismo. El átomo puede mantenerse estable debido a que el electrón (aproximadamente 1800 veces más pequeño que el protón) posee carga eléctrica negativa, y el protón carga positiva, teniendo el neutrón una función de "estabilizador" entre los dos (para impedir que se peguen, exactamente igual que como lo haría un imán).
Aceptando estos dos conceptos básicos, otra pregunta muy interesante que uno puede hacerse es ¿Por qué existen ciertos elementos y no otros? ¿Qué hace que los materiales tengan unas propiedades y sean de una manera determinada?. Pues bien, esto es debido al enlace químico:
El enlace químico es la manera que tienen los átomos de colocarse entre sí unos con respecto de otros. Los átomos comparten sus electrones para poder mantenerse estables, dando así origen a los elementos de la naturaleza.
¿Por qué existen sólo determinados elementos en la naturaleza?. Para explicar este concepto, hace falta decir que los electrones no pueden estar en cualquier lugar alrededor del núcleo, solo en sitios determinados (orbitales). Al no disponer de libre albedrío, a la hora de enlazarse solo lo pueden hacer en determinadas posiciones, por eso los elementos que existen son solo los "geométricamente posibles".
Aceptando estas premisas, ya podemos empezar a hablar de la mecánica cuántica propiamente dicha, no sin antes conocer a quienes descubrieron este fascinante mundo subátomico:
Niels Bohr:
1º Postulado: Un electrón en un átomo se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la influencia de la atracción electromagnética entre el electrón y el núcleo, obedeciendo las leyes de la mecánica clásica.
2º Postulado: En lugar de la infinidad de órbitas posibles en la mecánica
clásica, para un electrón solo es posible moverse en una órbita
para la cual el momento angular L es un múltiplo entero de ħ. (Constante de Planck).
3º Postulado: Un electrón que se mueva en una de esas órbitas permitidas no
irradia energía electromagnética, aunque está siendo acelerado
constantemente por las fuerzas atractivas al núcleo. Por ello, su energía total E permanece constante.
Max Planck:
Tanto su trabajo como el de Max Planck sentaron la base de la mecánica cuántica moderna, ya que por fin era posible cuantificar con precision la energía (radiación) de las partículas, abriéndose las puertas de una nueva rama de la física. Hoy en día podemos observar el efecto fotoeléctrico en los paneles solares, capaces de producir electricidad a partir de la luz del sol.
-Implicaciones de la mecánica cuántica: Debate entre Albert Einstein y Niels Bohr:
Una noción fundamental en física es que cuando se descubre una teoría nueva, dicha teoría no solo hace una afirmación rotunda, innegable y demostrable, si no que además cierra las puertas a ciertas posibilidades de manera total. En el caso de Einstein, su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico traía implícito un concepto que al propio Albert no le gustaba para nada: no se podía saber con precisión ni la trayectoria ni la velocidad de una partícula en el espacio. Durante la última mitad de su vida, Einstein, que era determinista, trabajó para encontrarle solución a las implicaciones de su trabajo, que eran irresolubles. Bohr, por el contrario, defendía la idea de un universo probabilístico e impredecible, cosa que Einstein no quería aceptar.
-Principio de incertidumbre de Heisenberg:
En 1927 el físico alemán Werner Heisenberg enunció su relación de indeterminación, que afirmaba que el simple hecho de observar una partícula, la altera.
Este hecho tiene lógica, debido a que para que podamos ver de algún modo una partícula, necesitamos que los fotones choquen contra ella (recordemos que nuestra percepción de la realidad se basa en la interpretación que hace nuestro cerebro de los fotones que llegan rebotados de los objetos que vemos) desviándola de su posición original y creando un error imposible de reducir a cero, por lo tanto queda establecido que el universo para nosotros es probabilístico, lo único que podemos calcular actualmente son las posibles posiciones espaciales de una partícula en un determinado periódo de tiempo.
Debido al pequeñísimo valor de la constante de Planck, el principio de incertidumbre no tiene efectos en el mundo macroscopico, por lo que las teorías físicas deterministas (como la relatividad general, por ejemplo) siguen siendo válidas y aplicables siempre que sean a escala macroscópica.
-Sobre la dualidad onda-corpúsculo:
La dualidad onda-partícula es una propiedad que poseen las partículas subatómicas, o lo que es lo mismo, a veces se comportan como partículas y otras veces como onda. En la física clásica la diferencia entre una partícula y una onda es clara, la partícula es un punto que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, mientras que una onda es una manifestación de una energía en movimiento. No obstante en la mecánica cuántica este concepto afirma que no hay diferencias entre ambas.
| Representación de como un mismo elemento puede tener dos percepciones distintas. |
La dualidad onda-corpúsculo queda demostrada experimentalmente por el experimento de la doble ranura, en el cual se hace pasar un haz de electrones por una ranura, dejando un patrón de interferencia (una marca) normal, de la forma de la ranura, sin embargo, cuando se apunta el mismo haz hacia dos ranuras, el patrón de interferencia pasa a ser como el que dejaría una onda, dejo un vídeo del experimento para ilustrar mejor este confuso concepto:
-Una teoría para todo:
Actualmente uno de los objetivos principales de la física moderna es establecer una teoría que explique desde las interacciones entre las galaxias hasta las de las partículas más pequeñas. Cuando hablamos de la escala macroscópica utilizamos las leyes de Newton para explicar el movimiento y las interacciones entre las fuerzas y la relatividad general (enunciada en 1915 por Albert Einstein) para relacionar masa (materia) y energía en la famosa ecuación E=mc^2, además de para explicar la interacción gravitatoria que produce curvatura en el plano espaciotemporal por cuerpos masivos:
