Qué es la física cuántica

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En el instituto estamos acostumbrados a estudiar física. Sin embargo existe un tipo de física al que quizá no está acostumbrado mi debe conocer todo el mundo. Se trata de la física cuántica. Muchos no saben qué es la física cuántica. Es un tema muy debatido y fascinante que puede revolucionar la idea que tenemos del universo que nos rodea. Se trata de la teoría de la física que describe el comportamiento de la materia y que tiene además varias aplicaciones en la vida cotidiana.

Por ello, en este artículo vamos a contarte qué es la física cuántica y cuáles son sus características.

Qué es la física cuántica

La física cuántica también se llama teoría cuántica o mecánica. Porque se basa en una teoría mecánica que se centra en la escala de longitudes y los fenómenos de la energía atómica y subatómica, dando nueva vida a teorías anteriores, que ahora se consideran obsoletas.

¿Cuál es la diferencia entre la física clásica y la física cuántica? Este último describe la radiación y la materia como fenómenos duales: ondas y partículas. Por tanto, la dualidad onda-partícula puede considerarse como una de las características de esta mecánica. La relación entre ondas y partículas se estudia y confirma a través de dos principios:

  • El principio de complementariedad
  • Principio de incertidumbre de Heisenberg (este último formaliza el primero).

Ciertamente podemos estar seguros de que, tras el descubrimiento de la teoría de la relatividad y el nacimiento de la física clásica, estos conocimientos marcaron el comienzo de una nueva era, la física moderna. Para estudiar la mecánica cuántica de manera integral, se requiere una integración entre diferentes sectores de la física:

  • Física atómica
  • Partículas físicas
  • Física de la materia
  • Física nuclear

Origen

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La física clásica no pudo estudiar la materia a nivel micro a fines del siglo XIX, lo que se puede decir que está más allá del alcance de la medición atómica. Por tanto, es imposible estudiar la realidad experimental, especialmente los fenómenos relacionados con la luz y los electrones. Pero la gente siempre quiere ir más lejos, y su curiosidad innata lo impulsa a explorar más.

A principios del siglo XX, los descubrimientos que surgieron de la escala atómica desafiaron viejos supuestos. La teoría cuántica nació gracias a un término acuñado por el académico Max Planck a principios del siglo XX. El concepto básico es que la magnitud microscópica y la cantidad de algunos sistemas físicos pueden incluso cambiar de manera discontinua pero discreta.

Estos son los estudios e investigaciones que hicieron posible llegar a estas conclusiones:

  • 1803: reconocimiento de los átomos como elemento constituyente de moléculas
  • 1860: la tabla periódica agrupa los átomos por propiedades químicas
  • 1874: descubrimiento del electrón y el núcleo
  • 1887: estudios sobre radiación ultravioleta

La última fecha puede marcar la línea divisoria principal. Para frecuencias de radiación por debajo del umbral, el fenómeno de interacción (efecto fotoeléctrico) entre la radiación electromagnética y la materia desaparece. Debido al efecto fotoeléctrico, la energía de los electrones es proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética. La teoría de las ondas de Maxwell ya no es suficiente para explicar ciertos fenómenos.

Teoría cuántica

Para resumir los factores que contribuyeron al nacimiento de la física cuántica, podemos enumerar fechas más importantes que están asociadas con descubrimientos y conocimientos utilizados para rastrear la historia de la mecánica cuántica:

  • 1900: Planck introduce la idea de que la energía se cuantifica, se absorbe y se emite.
  • 1905: Einstein demuestra el efecto fotoeléctrico (la energía del campo electromagnético es transportada por cuantos de luz (fotones)
  • 1913: Bohr cuantifica el movimiento orbital del electrón.
  • 1915: Sommerfeld introduce nuevas reglas, generalizando los métodos de cuantificación.

Pero fue a partir de 1924 que la teoría cuántica, tal como la conocemos ahora, sentó las bases. En este día, Louise de Broggie desarrolló la teoría de las ondas de materia. Al año siguiente, Heinsburg se hizo cargo, formuló la mecánica matricial y luego Dirac propuso la teoría especial de la relatividad en 1927. Hasta 1982, cuando el Instituto de Óptica de Orsay completó su investigación de la violación de la desigualdad de Bell, estos descubrimientos continuaron uno tras otro.

Principios de la física cuántica

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Entre los descubrimientos más fascinantes encontramos:

  • Dualidad onda-partícula
  • Principio de complementariedad
  • Principio de incertidumbre

Dualismo onda-partícula

Antes solo existía la física clásica. Este se dividió en dos grupos de leyes:

  • Leyes de Newton
  • Leyes de Maxwell

El primer conjunto de leyes describe el movimiento y la dinámica de los objetos mecánicos, mientras que el segundo conjunto de leyes describe las tendencias y conexiones entre los sujetos que forman parte de los campos electromagnéticos: la luz y las ondas de radio, por ejemplo.

Algunos experimentos muestran que se puede pensar en la luz como una onda. Pero no han sido confirmados. Por otro lado, la luz tiene naturaleza de partícula (de Einstein y Planck) y, por tanto, la idea de que está compuesta de fotones ha ganado cada vez más legitimidad. Gracias a Bohr se entendió que la naturaleza de la materia y la radiación eran:

  • Que sea una ola
  • Que sea un cuerpo

Ya no era posible pensar desde una perspectiva u otra, sino desde una perspectiva complementaria. El principio complementario de Bohr solo enfatiza este punto, es decir, los fenómenos que ocurren a escala atómica tienen las propiedades duales de ondas y partículas.

Principio de incertidumbre de Heinsenberg

Como mencionamos anteriormente en 1927, Heinsenberg demostró que ciertos pares de cantidades físicas, como la velocidad y la posición, no pueden registrarse simultáneamente sin error. La precisión puede afectar a una de las dos mediciones, pero no a ambas al mismo tiempo, porque fenómenos como la velocidad afectarán al otro resultado de la medición e invalidarán la medición.

Para localizar el electrón, es necesario iluminar un fotón. Cuanto más corta sea la longitud de onda del fotón, más precisa será la medición de la posición del electrón. En física cuántica, la frecuencia de onda baja de los fotones transporta más energía y velocidad de la que absorben los electrones. Al mismo tiempo, estas medidas no se pueden determinar.

Espero que con esta información puedan conocer más sobre qué es la física cuántica y cuáles son sus características.


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