Física teórica

¿Qué es la Física Cuántica?

La física cuántica es un dominio separado en la física que se ocupa de las unidades fundamentales de materia y energía.

En nuestro mundo, las cosas son bastante simples y lógicas. Un automóvil está parado o en movimiento, el estéreo está encendido o apagado, un gato está vivo o muerto, en un estado u otro. No hay término medio o combinación de estados.

Pero no se puede decir lo mismo del mundo en su nivel más fundamental, a la escala de la partícula más fundamental de la que estamos hechos.

Aquí, una partícula no existe en un estado u otro, sino en varios estados al mismo tiempo. Como explicó Schrödinger, un gato (del mundo básico) no estaría vivo ni muerto. Existiría entre los dos estados, tanto vivo como muerto. Esto, lo llamó una superposición, donde una partícula está en una mezcla de estados.

¿Extraño verdad? Pero este es el extraño mundo llamado mundo cuántico, gobernado por la física cuántica.

Se ha convertido en un tema popular en los últimos años y la mayor parte del crédito se debe a la ciencia ficción. Las teorías del universo alternativo y del viaje en el tiempo ciertamente nos mantienen interesados. Pero, ¿qué es exactamente esto que está alimentando el mundo de la ciencia ficción con contenido?

¿Qué es la física cuántica?

‘Quantum’ es una palabra latina que literalmente significa ‘cuánto’ pero se usa para hablar sobre el tamaño mínimo de alguna entidad física. Apropiadamente, lo usamos para representar las partículas más fundamentales que son las partículas fundamentales o ‘mínimas’ de este universo.

Por lo tanto, la física cuántica se ocupa de los fundamentos de nuestro mundo: los electrones en un átomo, los protones dentro del núcleo, los quarks que transportan los protones, los fotones que percibimos como luz, etc. Estos representan todo lo que nos hace materia y energía.

Eso suena bastante simple, ¿verdad?

¿En qué se diferencia de la física normal?

La física ‘regular’ es la física que se ocupa de las leyes del movimiento de Newton y la mecánica relacionada. Se llama Física Clásica.

Esto constituye la física de nuestra vida cotidiana: el rodamiento de bolas, la rotación de la tierra, la mecánica de los motores, etc.

Pero si esta física es tan extensa, ¿por qué fue tan inadecuada?

Bajo la base de la física cuántica

Retrocedamos en el tiempo hasta la década de 1900 para ver el nacimiento de la Física Cuántica. Este fue un momento en que los científicos aún no podían comprender los conceptos del efecto fotoeléctrico. En pocas palabras, el efecto fotoeléctrico es un fenómeno en el que la luz golpea un metal y hace que se expulsen electrones.

De acuerdo con la física ‘normal’, los electrones deberían comenzar a escapar del metal cuando el brillo de la luz está por encima de un límite suficiente. Pero en realidad, fue el color de la luz lo que determinó si se emitirían o no electrones.

Así fue como Albert Einstein encendió la ecuación de Max Planck. La ecuación de Planck establece que las ondas de luz transportan energía en pequeños paquetes llamados ‘quanta’. Esto explicaba cómo cada color de luz tenía una cantidad específica de energía asociada con su longitud de onda. Esta energía a su vez fue la responsable de apagar los electrones.

Einstein usó la ecuación de Planck para sugerir que la luz actúa no solo como una onda sino también como una partícula, una partícula que luego se denominó fotón.

Desde entonces, los físicos se dieron cuenta de que la física regular no era suficiente para comprender el mundo microscópico.

A esta física ‘regular’ la llamaron Física Clásica, física del pasado, ya la que trata del mundo fundamental como ‘Física Cuántica’.

Por lo tanto, este mundo ahora se llama el ‘mundo cuántico’.

¿Qué diferencia a la Física Cuántica de la Física Clásica?

Seamos honestos, nuestros cerebros están hechos para este mundo macroscópico donde pueden entender el funcionamiento de un automóvil en una carretera, la mecánica de un bolígrafo, etc. pero son incapaces de comprender el mundo cuántico.

Por ejemplo, imagina que estás parado frente a una pared enorme y estás tratando de llegar al otro lado. Este muro está rodeado de caimanes mortales en los otros dos lados, así que escálalo o hazle un agujero. Pero si no tienes suficiente energía para hacer ninguna de las dos cosas, no podrás llegar a tu destino, ¿verdad?

Bueno, así es como funciona el mundo macroscópico.

Esta lógica es completamente correcta en este mundo, pero en el mundo cuántico, una partícula puede atravesar una barrera de energía sin suficiente energía. Está dado

Este fenómeno es responsable de la fusión nuclear que es responsable de la producción de energía de las estrellas.

Claramente, cuando nuestra lógica o intuición normal falla, la única intuición confiable en la que se puede sustentar el mundo cuántico es… Matemáticas. El tema de la física cuántica habla en el lenguaje de las matemáticas.

Y desde el nacimiento de la física cuántica, las matemáticas nos han contado varias historias extrañas del mundo cuántico. Por ejemplo, son las matemáticas de la ecuación de Schrödinger las que sugieren que las partículas no tienen estados definidos en el mundo cuántico.

Al darse cuenta de esto, Schrödinger trató de explicarlo a través de su ejemplo del ‘gato de Schrödinger’ que vimos primero. De manera similar, son las matemáticas las que han sugerido que los estados de dos partículas pueden incluso entrelazarse de tal manera que los estados cuánticos de estas partículas permanezcan conectados incluso después de la separación. Este fenómeno es bien conocido

Física cuántica del mundo Sci-Fi

A menudo hemos visto el drama de los fenómenos cuánticos inusuales representados en nuestro mundo macroscópico a través de películas y programas de televisión.

Tomemos, por ejemplo, el universo Marvel. Las películas de Marvel son famosas por su uso intensivo de la física cuántica, ¡al menos las palabras, si no la física a veces!

Aunque la mayor parte de la ficción está etiquetada como física cuántica, hay algunas escenas que se basan en conceptos reales. Una de ellas son las ‘múltiples realidades’ de Doctor Strange.

Primero, entendemos la física cuántica en la que se basa.

Este tema trata con partículas en términos de probabilidad. Por ejemplo, cuando se habla de la posición de un electrón, un físico dirá: «Es más probable que el electrón esté en este rango de longitudes, digamos de 1 a 3 unidades». Pero lo mismo puede interpretarse como electrones que existen en diferentes realidades en diferentes posiciones en el rango potencial.

Así, puede existir en 2 unidades en una realidad y en 3 en otra o en cualquier otro número posible entre su rango más probable. En resumen, hay muchas realidades que cubren todas las posiciones posibles de la partícula. ¡Otra vez las matemáticas y sus implicaciones! Lo que vemos en las realidades múltiples de Doctor Strange es una expansión masiva de este concepto. Cada posibilidad de realidad es un universo separado en sí mismo y por lo tanto tienen múltiples universos.

Otro uso muy famoso de este concepto está en nuestra querida película, ‘Endgame’ por su idea de viajar en el tiempo. La película entiende que si cambiamos el pasado, también cambiará el futuro. Entonces, si retroceden en el tiempo y matan a Thanos, ¿quién traerá el apocalipsis y por qué alguien viajaría en el tiempo para matarlo? Esta pregunta se llama la paradoja del abuelo.

David Deutsch proporcionó una solución a esta paradoja. Sí, ese ‘David Deutsch’ que menciona Tony Stark en la película. Deutsch dijo que la única forma de eliminar esta paradoja es si hablamos de los eventos en términos de probabilidad como hablamos de partículas. Entonces, solo hay una cierta probabilidad de que el pasado cambie. ¡Eso significa que es posible que no hayan podido matar a Thanos en el pasado, presumiblemente!

Entonces, lo más inteligente que hicieron fue regresar y llevarse todas las Gemas del Infinito antes de que fueran destruidas. Luego envíelos de vuelta al mismo tiempo para evitar cualquier cambio debido a las piedras que faltan. ¡Hay que admitir que era realmente inteligente!

La creciente importancia de la Física Cuántica

La física cuántica ciertamente ha alimentado mucha ficción para las masas en general. Pero también se ha vuelto necesario. Se ha asimilado a otros campos de la ciencia y todavía se está expandiendo. Por ejemplo, las computadoras cuánticas están destinadas a realizar tareas que son demasiado complejas para una computadora clásica. Hay un fuerte énfasis en la construcción de un mejor sistema de comunicación utilizando la física cuántica para mejorar la seguridad y la privacidad.

La producción de energía a través de un reactor nuclear solo fue posible gracias al estudio de la fisión nuclear a través de la física cuántica. También está profundamente inmerso en el tema de la astrofísica. Después de todo, la mejor manera de responder a las preguntas del universo es si entendemos sus componentes básicos.

Pero ya sea que entendamos este tema o no, ciertamente está creciendo en importancia. Con más por venir, es seguro decir que pronto se convertirá en una parte integral de nuestras vidas.

Cristy

Somos entusiastas de los temas científicos, del estudio y el conocimiento. Traemos para ti los casos más curiosos de la ciencia y como pueden ayudarte. Preguntas y respuestas que quizás alguna vez te has hecho, están aquí.

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