La física cuántica es una rama de la física que estudia los fenómenos que ocurren a escalas muy pequeñas, como los átomos y las partículas subatómicas. A diferencia de la física clásica, que describe el comportamiento de objetos macroscópicos, la física cuántica se centra en el mundo microscópico, donde las leyes de la física clásica ya no son válidas.
La física cuántica se basa en varios principios fundamentales que difieren de la intuición clásica. Algunos de estos principios incluyen:
- Dualidad onda-partícula.
- Principio de incertidumbre de Heisenberg.
- Superposición.
- Principio de exclusión de Pauli.
- Entrelazamiento cuántico.
Dualidad onda-partícula
Las partículas subatómicas pueden exhibir comportamientos tanto de partícula como de onda. Esto significa que, en ciertos experimentos, las partículas pueden comportarse como partículas puntuales, con una posición y un momento definidos.
Sin embargo, en otros experimentos, se pueden observar patrones de interferencia que son característicos de las ondas, como la interferencia de dos rendijas.
Experimento de la doble rendija
Un ejemplo famoso de esta dualidad es el experimento de la doble rendija. Cuando se dispara un haz de partículas, como electrones o fotones, a través de una barrera con dos rendijas, se observa un patrón de interferencia en la pantalla de detección.
Este patrón solo puede explicarse si se considera que las partículas se comportan como ondas que interfieren entre sí. Sin embargo, cuando se realiza la observación de cerca, se detectan partículas individuales en puntos específicos de la pantalla, comportándose como partículas puntuales.
Principio de incertidumbre de Heisenberg
El principio de incertidumbre de Heisenberg, formulado por el físico Werner Heisenberg, establece una limitación fundamental en la precisión con la que se pueden conocer ciertas propiedades de una partícula subatómica.
El principio afirma que no se puede conocer simultáneamente con precisión absoluta tanto la posición como el momento (o la cantidad de movimiento) de una partícula. Esto implica que cuanto más precisamente se mide la posición de una partícula, menos precisión se tiene sobre su momento, y viceversa.
Esta limitación está relacionada con la naturaleza ondulatoria de las partículas subatómicas. Cuanto más se "aprieta" la descripción de una onda (es decir, se reduce su extensión espacial), más se expande en el espacio de los momentos, y viceversa.
Esto se expresa mediante la conocida desigualdad de Heisenberg:
Δx * Δp >= h/4π
Donde:
-
Δx representa la incertidumbre en la posición.
-
Δp es la incertidumbre en el momento.
-
h es la constante de Planck.
Superposición
Uno de los conceptos más intrigantes de la física cuántica es la superposición. Según este principio, las partículas cuánticas pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo hasta que se realiza una medición.
Esto significa que una partícula puede estar en una superposición de diferentes posiciones, momentos, energías u otras propiedades.
El gato de Schrödinger
Un ejemplo clásico de superposición es el experimento del gato de Schrödinger.
En este experimento mental, un gato se coloca en una caja cerrada junto con un dispositivo que tiene una probabilidad 50/50 de matar al gato. Según la mecánica cuántica, antes de abrir la caja y realizar la observación, el gato está en una superposición de estar vivo y muerto al mismo tiempo.
Solo cuando se abre la caja y se realiza la observación, el estado cuántico del gato colapsa en uno de los dos posibles resultados: vivo o muerto.
Principio de exclusión de Pauli
El principio de exclusión de Pauli, formulado por Wolfgang Pauli, establece que dos fermiones idénticos, como electrones, no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico en un sistema dado.
Este principio es esencial para entender la distribución de electrones en átomos y moléculas. Impide que dos electrones compartan todos sus números cuánticos, incluido el espín, asegurando una distribución única y específica de electrones en los niveles y subniveles de energía.
Esta restricción cuántica es fundamental para la estabilidad de la materia y tiene implicaciones significativas en la formación de la estructura atómica y la tabla periódica de los elementos.
Entrelazamiento cuántico
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el cual dos o más partículas están intrincadamente correlacionadas entre sí, de manera que el estado de una partícula está instantáneamente relacionado con el estado de la otra, incluso si están separadas por grandes distancias.
Esto implica una conexión no local entre las partículas entrelazadas.
Experimento de las partículas entrelazadas
Un experimento conocido que ilustra el entrelazamiento cuántico es el experimento de las partículas entrelazadas o pares de Bell.
En este experimento, cuando dos partículas entrelazadas se separan y se miden en propiedades complementarias, como la polarización, los resultados de las mediciones están correlacionados de manera que no se puede explicar con una teoría clásica.
Esto significa que el estado cuántico de una partícula está instantáneamente vinculado al estado cuántico de la otra, independientemente de la distancia que las separe.
Este fenómeno ha sido confirmado experimentalmente y es utilizado en tecnologías como la criptografía cuántica para garantizar la seguridad en las comunicaciones.
Diferencia entre física cuántica y mecánica cuántica
La física cuántica y la mecánica cuántica son términos que a menudo se usan indistintamente y se refieren al mismo campo de estudio. Sin embargo, es posible hacer una distinción sutil entre ambos términos.
La física cuántica es un término más amplio que engloba todos los aspectos de la teoría cuántica, que incluye no solo la mecánica cuántica, sino también otros campos relacionados como la teoría cuántica de campos, la electrodinámica cuántica, la teoría cuántica de la información y la teoría cuántica estadística, entre otros.
En este sentido, la física cuántica abarca una variedad de teorías y principios que explican el comportamiento de las partículas y sistemas a escalas muy pequeñas.
La mecánica cuántica, por otro lado, se refiere específicamente a la rama de la física cuántica que se ocupa de la descripción y comprensión del comportamiento de las partículas subatómicas y los sistemas físicos a nivel cuántico.
Es la teoría cuántica más fundamental y ampliamente conocida, y establece los principios y las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de las partículas a nivel microscópico.