Física cuántica

 

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas.

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En física, la mecánica cuántica, conocida también como mecánica ondulatoria y como física cuántica, es una de las ramas principales de la física que explica el comportamiento de la materia. Su campo de aplicación pretende ser universal, pero es en lo pequeño donde sus predicciones divergen radicalmente de la llamada física clásica. Además, las velocidades de las partículas constituyentes no deben ser muy altas, o próximas a la velocidad de la luz. Su historia es inherente al siglo XX, ya que la primera formulación cuántica de un fenómeno fue dada a conocer un 17 de diciembre de 1900 en una sección de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín por el científico alemán Max Planck.^[1]

La mecánica cuántica rompe con cualquier paradigma de la física hasta ese momento, con ella se descubre que el mundo atómico no se comporta como esperaríamos. Los conceptos de incertidumbre, indeterminación o cuantización son introducidos por primera vez aquí. Además la mecánica cuántica es la teoría científica que ha proporcionado los datos más exactos hasta el momento, a pesar de su carácter probabilístico.

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Suposiciones más importantes

Las suposiciones más importantes de esta teoría son las siguientes:

• La energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio energético hay una cantidad mínima involucrada, es decir un cuanto (cuantización de la energía).
• Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, se renuncia al concepto de trayectoria, vital en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese instante (al menos, en la interpretación de la Mecánica cuántica más usual, la probabilística o interpretación de Copenhague). A partir de esa función, o función de ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.

Aunque la estructura formal de la teoría está bien desarrollada, y sus resultados son coherentes con los experimentos, no sucede lo mismo con su interpretación, que sigue siendo objeto de controversias.

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A ver como  lo explicamos...

• Las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, denominado quantum (cuanto) de energía.
• La posición de las partículas viene definida por una función que describe la probabilidad de que dicha partícula se halle en tal posición en ese instante

El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve por hechos experimentales, inexplicables con las herramientas de la mecánica clásica, como los siguientes:

Según la Física Clásica, la energía radiada por un cuerpo negro, objeto que absorbe toda la energía que incide sobre él, era infinita, lo que era un desastre. Esto lo resolvió Max Plank mediante la cuantización de la energía, es decir, el cuerpo negro tomaba valores discretos de energía cuyos paquetes mínimos denominó “quantum”. Este cálculo era, además, consistente con la ley de Wien (que es un resultado de la termodinámica, y por ello independiente de los detalles del modelo empleado). Según esta última ley, todo cuerpo negro irradia con una longitud de onda (energía) que depende de su temperatura.

La dualidad onda corpúsculo, también llamada onda partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. Actualmente se considera que la dualidad onda - partícula es un "concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa".ntica

El marco de aplicación de la Teoría Cuántica se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica (en el diseño de transistores, microprocesadores y todo tipo de componentes electrónicos), en la física de nuevos materiales, (semiconductores y superconductores), en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica (lasers, tomógrafos, etc.), en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano.

Un nuevo concepto de información, basado en la naturaleza cuántica de las partículas elementales, abre posibilidades inéditas al procesamiento de datos. La nueva unidad de información es el qubit (quantum bit), que representa la superposición de 1 y 0, una cualidad imposible en el universo clásico que impulsa una criptografía indescifrable, detectando, a su vez, sin esfuerzo, la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de transmisión. La otra gran aplicación de este nuevo tipo de información se concreta en la posibilidad de construir un ordenador cuántico, que necesita de una tecnología más avanzada que la criptografía, en la que ya se trabaja, por lo que su desarrollo se prevé para un futuro más lejano.

En la medicina, la teoría cuántica es utilizada en campos tan diversos como la cirugía láser, o la exploración radiológica. En el primero, son utilizados los sistemas láser, que aprovechan la cuantificanción energética de los orbitales nucleares para producir luz monocromática, entre otras característcias. En el segundo, la resonancia magnética nuclear permite visualizar la forma de de algunos tejidos al ser dirigidos los electrones de algunas sustancias corporales hacia la fuente del campo magnético en la que se ha introducido al paciente.

Otra de las aplicaciones de la mecánica cuántica es la que tiene que ver con su propiedad inherente de la probabilidad. La Teoría Cuántica nos habla de la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, no de cuándo ocurrirá ciertamente el suceso en cuestión. Cualquier suceso, por muy irreal que parezca, posee una probabilidad de que suceda, como el hecho de que al lanzar una pelota contra una pared ésta pueda traspasarla. Aunque la probabilidad de que esto sucediese sería infinitamente pequeña, podría ocurrir perfectamente.

La teleportación de los estados cuánticos (qubits) es una de las aplicaciones más innovadoras de la probabilidad cuántica, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas técnicas. En 2001, un equipo suizo logró teleportar un fotón una distancia de 2 km, posteriormente, uno austriaco logró hacerlo con un rayo de luz (conjunto de fotones) a una distancia de 600 m., y lo último ha sido teleportar un átomo, que ya posee masa, a 5 micras de distancia...

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El primer viaje en el tiempo tendrá lugar este siglo

Un nuevo modelo de máquina del tiempo basada en láser podría estar construida en 10 años

                                                     

En la teoría especial de la relatividad (1905), Einstein enunció que el intervalo de tiempo medido por un reloj depende de su estado de movimiento. Los relojes de dos sistemas de referencia que se muevan de manera diferente registrarán lapsos de tiempo distintos entre los mismos acontecimientos. Este efecto es conocido como “dilatación” del tiempo.

La dilatación del tiempo se hace realmente notable cuando el movimiento relativo de los sistemas de referencia en los que viajan los relojes implica velocidades cercanas a la velocidad de la luz (300.000 km/seg), de ahí que en la vida corriente no la percibamos directamente. A la velocidad de un avión, por ejemplo, la dilatación del tiempo se sitúa en el orden del “nanosegundo” (la milmillonésima fracción de un segundo), una cantidad muy pequeña para nosotros que, no obstante, ha llegado a ser registrada por relojes atómicos extremadamente precisos, confirmando así el enunciado de Einstein.

Si la velocidad proporciona una manera de distorsionar el tiempo, la gravedad es otra. En la teoría general de la relatividad (1916) Einstein predijo que la gravedad retarda igualmente el tiempo. En la superficie de una estrella de neutrones la gravedad adquiere tal intensidad que el tiempo se retrasa allí un 30 por ciento con respecto al tiempo medido en la Tierra. Un agujero negro representa la máxima distorsión posible del tiempo: en su superficie el tiempo, literalmente, se detiene. 

Extraido del artículo
http://www.tendencias21.net/El-primer-viaje-en-el-tiempo-tendra-lugar-este-siglo_a958.html