La historia de los cuantos

La física moderna, mejor dicho, la física del siglo XX, comenzó exactamente en el año 1900, cuando el afamado Max Planck, propuso una solución para uno de los problemas que llevaba años atormentando la mente de los físicos, el problema del cuerpo negro. Este problema se basa en la emisión de luz (radiación electromagnética, no solo la luz visible que captan nuestros ojos) de los cuerpos calentados a una cierta temperatura. El cuerpo negro, es un objeto idealizado para la física, que tiene las propiedades de absorber todas las radiaciones que inciden sobre él, sin reflejar ni trasmitir ninguna. Sin embargo, este objeto si que emite radiación electromagnética al poseer una temperatura (todos los cuerpos con una temperatura superior a 0 ºK o -273,15 ºC emiten una radiación). El problema era que en esa época, si se aplicaban las leyes de la termodinámica para determinar la intensidad de la radiación, los resultados carecían de sentido. Estos resultados indicaban que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta lejano, algo imposible. Lo que se observaba era que la intensidad mostraba un pico a un longitud de onda determinada, disminuyendo esta intensidad para longitudes superiores e inferiores. Casualmente, esa longitud característica (y por lo tanto la energía de la radiación ya que 𝐸 = ℎ/λ) era inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo que la emitía. Planck, para sortear este sinsentido, determinó que la radiación, sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño determinado, y la cantidad de energía de esos paquetes, sería inversamente proporcional a la longitud de onda 𝐸 = ℎ/λ, donde “E” representa la energía, "λ" la longitud de onda y “h” la constante de Planck. Estos paquetes, fueron denominados cuantos, y así, recién iniciado el siglo XX, nació la mecánica cuántica.

Unos cuantos años después (1905) Einstein, generalizó la teoría de Planck, y afirmó que no solo los objetos calientes emiten radiaciones en paquetes de energía, sino que todas las radiaciones electromagnéticas consistían en paquetes de energía. Louis de Broglie, dándole una vuelta de tuerca más, afirmó que no solo cualquier cosa que oscila (onda) tiene una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una onda (principio de la dualidad onda-partícula). Es decir, todas las partículas deberían tener asociada una onda que oscila en los distintos campos de fuerza. Del mismo modo, la luz, como onda que oscila en el campo magnético y eléctrico, debería tener una partícula asociada: el fotón. Poco después de esto, Erwin Schrodinger escribió las ecuaciones matemáticas exactas que describen la teoría de De Broglie, la ecuación de onda. Pero, ¿qué querían decir estas ecuaciones?

Cuando Newton postuló su teoría de la gravedad, que describía cómo debían moverse los planetas, la gente supo comprender esta teoría, ya que con los planetas, es fácil determinar su posición en el espacio, al mismos tiempo que se conoce su velocidad, de esta forma podremos determinar su trayectoria y las fuerzas que rigen su movimiento. Sin embargo, en el mundo microscópico de la cuántica y las partículas fundamentales, la cosa no es tan sencilla. Seguro que muchos de los lectores conocen el nombre de Heisenberg, aunque sea por la afamada serie de televisión Breaking Bad, y si recuerdan las clases de física del instituto, os acordaréis de que este físico alemán, observó que era imposible determinar con precisión la posición de un electrón, a la vez que se determinaba de forma precisa su velocidad. Bien, pues a este principio lo denominó el principio de incertidumbre, y es una de las razones que convierten al mundo cuántico en algo complejo y fascinante. Algo similar puede ocurrir en la vida diaria, como en el caso de tratar de determinar la frecuencia de un tono (si es agudo o grave) a la vez que se intenta precisar la duración del tono. Debido a estas complicaciones derivadas del principio de incertidumbre, el danés Neils Bohr propuso lo que se conoce como “interpretación de Copenhague” que sigue resultando satisfactoria para muchos físicos de la actualidad. Bohr, indicó que como no se podía afirmar que un electrón estuviera en “x” o en “y”, en vez de hablar de su posición, se hablaría de su estado. Es decir, el electrón estaría en el estado “x” o en el estado “y”, también pudiendo estar parcialmente en estado "x" y parcialmente en estado "y". De esta forma se consiguen explicar algunas incongruencias de la física cuántica, como las observadas en el experimento de la doble rendija, o las basadas en el principio de superposición (estas las dejaremos para otro artículo). Algunos de los pioneros de la mecánica cuántica, como Einstein o Schrodinger, no estaban del todo convencidos con la interpretación de Copenhague, ya que ¿Dónde estaba exactamente el electrón, en “x” o en “y”?, ¿Dónde estaba en realidad? En ese caso solo la medición puede determinar la realidad concreta, sólo al utilizar un detector para verificar la posición del electrón, podremos determinar su posición. El momento en el que se registra que está en “x” será el momento en el que podamos decir que el electrón se encuentra en un estado “x”, hasta entonces lo único de lo que podemos hablar es de la probabilidad de que el detector registre el electrón en “x” . Lo que nos llevaría a la paradoja de Schrodinger en la que no sabes si el gato está vivo o está muerto, hasta el momento en el que abres la caja.

La interpretación de Copenhague, es una interpretación probabilística de la mecánica cuántica, mientras que Einstein, creía ciegamente en una física determinista. Para Albert, y otros físicos de gran renombre, la interpretación de Bohr dejaba mucho espacio para el azar y la aleatoriedad en la mecánica cuántica, aunque a día de hoy es la interpretación más aceptada. Por el motivo de esta controversia, probabilista vs determinista, pasó a la historia la famosa frase que Einstein le dijo a Bohr, “Dios no juega a los dados con el universo” (debido al carácter de aleatoriedad de la interpretación de Copenhague), a lo que el autor de este artículo respondería "¿Qué Dios?"

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