Física cuántica: definición, teorías y temas

¿Qué es la física cuántica?

¿Sabías que existe una pequeña probabilidad de que la próxima vez que te tropieces con una pared la atravieses? ¿O esa luz es tanto una onda como una partícula? ¿O que un gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo?

¿No? Bueno, esas son solo algunas de las extrañas y maravillosas conclusiones que la gente ha sacado al estudiar la mecánica cuántica. La física cuántica es extraña. Simplemente no se puede negar. Pero, ¿qué es exactamente la física cuántica?

La física cuántica , más comúnmente conocida como mecánica cuántica, es un cuerpo de trabajo en física que parece explicar el universo en escalas diminutas. Las leyes de la física que funcionan a escala humana simplemente no se aplican cuando las cosas son extremadamente pequeñas.

La mecánica cuántica explica mucho

La mecánica cuántica puede ser extraña, pero explica mucho sobre el universo. Explica por qué la luz parece actuar como una partícula en algunas circunstancias y como una onda en otras. O por qué partículas como los electrones también pueden actuar como ondas. Explica las propiedades de los elementos de la tabla periódica y cómo funcionan los enlaces químicos.

De hecho, si tiene un televisor de pantalla plana, probablemente no se dé cuenta de que se inventaron utilizando principios de la mecánica cuántica. Algunas partes de las computadoras y los sensores de las cámaras digitales también son el resultado de la mecánica cuántica. Por más difícil que sea entenderlo, la mecánica cuántica funciona.

Ideas y teorías clave

En mecánica cuántica, una partícula no tiene una posición exacta, pero se puede considerar que está en varios lugares a la vez. En lugar de tener cosas como posición, masa y velocidad para describir una partícula, tienes una serie de funciones de onda. Una función de onda es una ecuación que describe la probabilidad de que una cantidad tenga un cierto valor. Entonces, por ejemplo, podría decirle qué tan probable es que la partícula esté en el punto A frente al punto B.

Cuando realmente vamos y medimos la posición de una partícula, esa función de onda ‘colapsa’ en una más simple que representa la posición específica que medimos. Antes de medirlo, se consideraba que la partícula estaba en todos los lugares posibles a la vez. Después de medirlo, ahora tiene una posición específica. Pero al medir su posición, lo hemos afectado, lo hemos forzado a tener una posición específica. El acto de medir afecta el resultado. Es como si hubiéramos cambiado su naturaleza de una onda, o función de onda, a una partícula. Esta es la fuente de la dualidad onda-partícula , la idea de que cosas como la luz pueden actuar como ondas en algunas circunstancias o partículas en otras.

Esto conduce directamente a algo llamado principio de incertidumbre de Heisenberg . Esto nos dice que si sabes una cosa sobre una partícula con mucha precisión, solo puedes conocer otra cantidad sin apenas precisión. Por ejemplo, si sabe dónde está su partícula dentro de un pequeño margen de error, no tendrá idea de qué tan rápido se mueve.

Consecuencias extrañas

El principio de incertidumbre de Heisenberg explica muchas cosas, y las matemáticas detrás de él nos permiten hacer cosas que nunca antes podíamos hacer, como construir televisores de pantalla plana y computadoras diminutas. Pero tiene algunas implicaciones extrañas, tanto técnicas como filosóficas.

Un ejemplo clásico es el gato de Schrodinger . Si aplicaras los principios de la mecánica cuántica a un objeto más grande, como un gato, realmente no funcionaría. Digamos que pones un gato en una caja, con un frasco de vidrio que contiene un veneno que lo mataría. Dentro de la caja, el gato podría haber derribado el frasco y estar muerto, o el gato podría estar bien. La única forma de saberlo es abrir la caja y ver.

Pero según la mecánica cuántica, hasta que abra la caja, el gato estaría hecho de una función de onda que contenga ambos resultados. Esencialmente, el gato estaría vivo y muerto al mismo tiempo. Este escenario fue diseñado por Schrodinger para mostrar cómo la mecánica cuántica no encaja con el mundo a gran escala, y necesitamos alguna forma de salvar la brecha entre lo pequeño y lo grande.

¿Alguna vez se preguntó cómo sería ser un fantasma? Dado que las partículas tienen distribuciones de probabilidad y podrían ubicarse en cualquier lugar, incluso si solo con una pequeña probabilidad, ¡también se deduce que podría atravesar una pared! Sus partículas tienen una pequeña probabilidad de estar del otro lado de la pared, por lo que podría suceder. Desafortunadamente, resulta que la probabilidad de que eso suceda es muy baja. Tendría que esperar un promedio de varias veces la edad del universo para que ocurra.

Resumen de la lección

La física cuántica , también conocida como mecánica cuántica, abarca las leyes físicas que explican el comportamiento del universo en las escalas más pequeñas. En esas escalas, las cosas funcionan de manera muy diferente. Algo puede ser tanto una partícula como una onda, lo que se denomina dualidad onda-partícula, y las partículas se describen mediante probabilidades: la posición, la velocidad y la masa de una partícula no es segura ni constante. Cuando mide la posición de una partícula con precisión, se vuelve cada vez menos seguro acerca de su velocidad, llamado Principio de Incertidumbre de Heisenberg .

Cuando aplicas estos principios a mayor escala, no parecen tener sentido: un gato encerrado en una caja puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, y tú tienes la capacidad de atravesar paredes. Filosóficamente, a la gente le preocupa que hay algo que nos falta y que cerrará la brecha entre lo pequeño y lo grande.

La mecánica cuántica puede ser extraña, pero explica mucho sobre el universo y es buena para hacer predicciones precisas. Lo hemos utilizado para desarrollar todo tipo de tecnologías, incluidas computadoras, televisores de pantalla plana y sensores en cámaras digitales.

Términos clave

Física cuántica: también conocida como mecánica cuántica; un cuerpo de trabajo en física que parece explicar el universo en una escala diminuta

Función de onda: una ecuación que describe la probabilidad de que una cantidad tenga un cierto valor.

Dualidad onda-partícula: la idea de que cosas como la luz pueden actuar como ondas en algunas circunstancias o como partículas en otras.

Principio de incertidumbre de Heisenberg: establece que si se sabe una cosa sobre una partícula con mucha precisión, solo se puede conocer otra cantidad sin apenas precisión.

El gato de Schrodinger: un ejemplo que explica por qué los principios de la mecánica cuántica no funcionan cuando se aplican a un objeto más grande, como un gato.

Los resultados del aprendizaje

Después de estudiar y reflexionar sobre la lección, pruebe su capacidad para:

• Definir y discutir la física cuántica.
• Presentar teorías e ideas relacionadas

Rodrigo Ricardo Editor y fundador