Teoría cuántica: definición y ejemplos

Publicado el 7 septiembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

¿Qué es la teoría cuántica?

La próxima vez que apoye el codo en la mesa, ¿qué pensaría si su brazo cayera a TRAVÉS de la mesa? Bueno, probablemente pensarías que te has vuelto loco, pero si fueras profesor de teoría cuántica, podrías explicar lo que sucedió porque la teoría cuántica nos dice que en realidad es POSIBLE. La teoría cuántica es un cuerpo de trabajo en física que explica la forma en que funciona el universo en las escalas más pequeñas. Las leyes regulares de la física, desde las leyes de Newton hasta la física térmica, simplemente no nos ayudan cuando las cosas son muy pequeñas. Ya no funcionan.

La teoría cuántica es … bueno, es EXTRAÑA. Pero nos ayuda a explicar muchas cosas. La luz se comporta como una partícula y una onda, dependiendo del escenario exacto, y la teoría cuántica nos ayuda a explicar esto. El comportamiento de los elementos de la tabla periódica también se puede explicar mediante la teoría cuántica. Y solo observar una partícula tiene un efecto sobre esa partícula; la partícula estaría en un estado diferente si nunca se hubiera molestado en mirar.

Incluso las conclusiones más extrañas que puede sacar de la teoría cuántica han llevado a aplicaciones prácticas y reales. La teoría cuántica ha sido responsable de muchos inventos que hoy damos por sentados, desde televisores de pantalla plana hasta sensores en cámaras digitales y láseres en reproductores de DVD y Blu-ray.

Ejemplos y teorías clave

Una de las ideas básicas de la teoría cuántica es que nunca se puede saber con absoluta certeza la posición de una partícula. En lugar de que una partícula tenga una posición, tiene una función de onda. Una función de onda es una ecuación que le dice la probabilidad de que una cantidad (como la posición) tenga varios valores. Entonces, sabrá cuál es la posición más probable que mantiene la partícula, no su posición real.

Una vez que mide la posición de la partícula, se dice que la función de onda ‘colapsa’ en una posición real y específica. Esta es la razón por la que, como se mencionó anteriormente, medir un valor realmente afecta lo que está midiendo. Si esto le parece extraño, no está solo. Pero esta es la fuente de la dualidad onda-partícula; cuando se mide la posición de la partícula, pasa de comportarse como una onda (con una función de onda) a comportarse como una partícula (con una posición específica).

Otra idea clave en la teoría cuántica es el principio de incertidumbre de Heisenberg . Este principio relaciona varios pares de cantidades y dice que cuanto más precisamente conoces un valor, menos exactamente conoces el otro. Por ejemplo, si conoce con mucha precisión la posición de una partícula, difícilmente tendrá idea de cuál es su velocidad y viceversa.

El gato de Schrödinger

El gato de Schrodinger es un experimento mental tan famoso en teoría cuántica que merece su propia sección. El escenario del gato de Schrodinger muestra lo que sucede si intentas aplicar la física cuántica a objetos cotidianos regulares como un gato. Entonces, según el experimento mental, si pones un gato en una caja cerrada que contiene un frasco de veneno rompible, el gato podría estar muerto O vivo, dependiendo de si se volcó y rompió el frasco. La única forma de saberlo es abrir la caja.

Pero, si aplicamos la teoría cuántica a esta situación, el gato se describe mediante una función de onda que muestra la probabilidad de que el gato esté vivo o muerto. Esto significa que el gato debe estar vivo Y muerto simultáneamente. Entonces, la física cuántica realmente no tiene mucho sentido en nuestras escalas cotidianas. Schrodinger usó esto para señalar que necesitamos encontrar alguna manera de salvar la extensión entre la física cuántica en escalas diminutas y la física regular en escalas cotidianas.

El codo y la mesa

Entonces, por último, volvamos al escenario que abrió este video: atravesar la mesa con el codo. La teoría cuántica dice que esto es posible; después de todo, una mesa es principalmente un espacio vacío, como todos los objetos. Desafortunadamente, hay una trampa bastante grande. Sí, existe una posibilidad pequeña, pero real, de que su codo atraviese la mesa. Pero esa probabilidad es TAN pequeña, que tendrías que esperar … digamos, varias veces la edad del universo para que suceda. Lamento decepcionarte.

Resumen de la lección

La física cuántica es un cuerpo de trabajo en física que explica la forma en que funciona el universo en las escalas más pequeñas. Las leyes de la física que usamos para nuestras escalas diarias no funcionan en este nivel. La incertidumbre es una gran parte de la teoría cuántica . En lugar de que una partícula tenga una posición, tiene una función de onda. Una función de onda es una ecuación que le dice la probabilidad de que una cantidad (como la posición) tenga varios valores. Cuando mide la posición de la partícula, la función de onda ‘colapsa’ en una posición específica.

Otra idea de la física cuántica se llama Principio de incertidumbre de Heisenberg , y dice que cuanto más precisamente conoces un valor, menos precisamente conoces el otro. No puede, por ejemplo, conocer la posición y la velocidad de una partícula con total precisión.

El gato de Schrodinger es un experimento mental que demuestra cómo la física cuántica no puede funcionar en escalas cotidianas. Un gato puesto en una caja con un frasco de veneno, según la teoría cuántica, está a la vez vivo y muerto. Obviamente, esto no tiene sentido, por lo que necesitamos una teoría unificadora que reúna la teoría cuántica y las teorías de la física a mayor escala.

La teoría cuántica explica cómo la luz puede ser tanto una onda como una partícula, por qué los elementos reaccionan de la manera en que lo hacen y cómo las partículas se ven afectadas al ser observadas. Nos ha llevado a desarrollar televisores de pantalla plana, sensores en cámaras digitales y láseres en reproductores de DVD y Blu-ray, entre muchos otros.

Los resultados del aprendizaje

Después de completar esta lección, debería poder:

  • Definir la teoría cuántica, la función de onda y el principio de incertidumbre de Heisenberg
  • Explicar el experimento mental del gato de Schrodinger y su propósito

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